VServer 1.9.2 (patch-2.6.8.1-vs1.9.2.diff)
[linux-2.6.git] / Documentation / MSI-HOWTO.txt
index 1852669..d5032eb 100644 (file)
@@ -3,13 +3,14 @@
                        10/03/2003
        Revised Feb 12, 2004 by Martine Silbermann
                email: Martine.Silbermann@hp.com
                        10/03/2003
        Revised Feb 12, 2004 by Martine Silbermann
                email: Martine.Silbermann@hp.com
+       Revised Jun 25, 2004 by Tom L Nguyen
 
 1. About this guide
 
 
 1. About this guide
 
-This guide describes the basics of Message Signaled Interrupts(MSI), the
-advantages of using MSI over traditional interrupt mechanisms, and how
-to enable your driver to use MSI or MSI-X. Also included is a Frequently
-Asked Questions.
+This guide describes the basics of Message Signaled Interrupts (MSI),
+the advantages of using MSI over traditional interrupt mechanisms,
+and how to enable your driver to use MSI or MSI-X. Also included is
+a Frequently Asked Questions.
 
 2. Copyright 2003 Intel Corporation
 
 
 2. Copyright 2003 Intel Corporation
 
@@ -35,7 +36,7 @@ An MSI capable device function indicates MSI support by implementing
 the MSI/MSI-X capability structure in its PCI capability list. The
 device function may implement both the MSI capability structure and
 the MSI-X capability structure; however, the bus driver should not
 the MSI/MSI-X capability structure in its PCI capability list. The
 device function may implement both the MSI capability structure and
 the MSI-X capability structure; however, the bus driver should not
-enable both, but instead enable only the MSI-X capability structure.
+enable both.
 
 The MSI capability structure contains Message Control register,
 Message Address register and Message Data register. These registers
 
 The MSI capability structure contains Message Control register,
 Message Address register and Message Data register. These registers
@@ -86,35 +87,62 @@ support. As a result, the PCI Express technology requires MSI
 support for better interrupt performance.
 
 Using MSI enables the device functions to support two or more
 support for better interrupt performance.
 
 Using MSI enables the device functions to support two or more
-vectors, which can be configure to target different CPU's to
+vectors, which can be configured to target different CPU's to
 increase scalability.
 
 5. Configuring a driver to use MSI/MSI-X
 
 By default, the kernel will not enable MSI/MSI-X on all devices that
 increase scalability.
 
 5. Configuring a driver to use MSI/MSI-X
 
 By default, the kernel will not enable MSI/MSI-X on all devices that
-support this capability. The CONFIG_PCI_USE_VECTOR kernel option
+support this capability. The CONFIG_PCI_MSI kernel option
 must be selected to enable MSI/MSI-X support.
 
 must be selected to enable MSI/MSI-X support.
 
-5.1 Including MSI support into the kernel
+5.1 Including MSI/MSI-X support into the kernel
 
 
-To allow MSI-Capable device drivers to selectively enable MSI (using
-pci_enable_msi as described below), the VECTOR based scheme needs to
-be enabled by setting CONFIG_PCI_USE_VECTOR.
+To allow MSI/MSI-X capable device drivers to selectively enable
+MSI/MSI-X (using pci_enable_msi()/pci_enable_msix() as described
+below), the VECTOR based scheme needs to be enabled by setting
+CONFIG_PCI_MSI during kernel config.
 
 Since the target of the inbound message is the local APIC, providing
 
 Since the target of the inbound message is the local APIC, providing
-CONFIG_PCI_USE_VECTOR is dependent on whether CONFIG_X86_LOCAL_APIC
-is enabled or not.
+CONFIG_X86_LOCAL_APIC must be enabled as well as CONFIG_PCI_MSI.
 
 
-int pci_enable_msi(struct pci_dev *)
+5.2 Configuring for MSI support
+
+Due to the non-contiguous fashion in vector assignment of the
+existing Linux kernel, this version does not support multiple
+messages regardless of a device function is capable of supporting
+more than one vector. To enable MSI on a device function's MSI
+capability structure requires a device driver to call the function
+pci_enable_msi() explicitly.
+
+5.2.1 API pci_enable_msi
+
+int pci_enable_msi(struct pci_dev *dev)
 
 With this new API, any existing device driver, which like to have
 
 With this new API, any existing device driver, which like to have
-MSI enabled on its device function, must call this explicitly. A
-successful call will initialize the MSI/MSI-X capability structure
-with ONE vector, regardless of whether the device function is
+MSI enabled on its device function, must call this API to enable MSI
+A successful call will initialize the MSI capability structure
+with ONE vector, regardless of whether a device function is
 capable of supporting multiple messages. This vector replaces the
 pre-assigned dev->irq with a new MSI vector. To avoid the conflict
 of new assigned vector with existing pre-assigned vector requires
 capable of supporting multiple messages. This vector replaces the
 pre-assigned dev->irq with a new MSI vector. To avoid the conflict
 of new assigned vector with existing pre-assigned vector requires
-the device driver to call this API before calling request_irq(...).
+a device driver to call this API before calling request_irq().
+
+5.2.2 API pci_disable_msi
+
+void pci_disable_msi(struct pci_dev *dev)
+
+This API should always be used to undo the effect of pci_enable_msi()
+when a device driver is unloading. This API restores dev->irq with
+the pre-assigned IOAPIC vector and switches a device's interrupt
+mode to PCI pin-irq assertion/INTx emulation mode.
+
+Note that a device driver should always call free_irq() on MSI vector
+it has done request_irq() on before calling this API. Failure to do
+so results a BUG_ON() and a device will be left with MSI enabled and
+leaks its vector.
+
+5.2.3 MSI mode vs. legacy mode diagram
 
 The below diagram shows the events, which switches the interrupt
 mode on the MSI-capable device function between MSI mode and
 
 The below diagram shows the events, which switches the interrupt
 mode on the MSI-capable device function between MSI mode and
@@ -124,121 +152,274 @@ PIN-IRQ assertion mode.
        |            | <=============== |                        |
        | MSI MODE   |                  | PIN-IRQ ASSERTION MODE |
        |            | ===============> |                        |
        |            | <=============== |                        |
        | MSI MODE   |                  | PIN-IRQ ASSERTION MODE |
        |            | ===============> |                        |
-        ------------   free_irq         ------------------------
+        ------------   pci_disable_msi  ------------------------
 
 
-5.2 Configuring for MSI support
 
 
-Due to the non-contiguous fashion in vector assignment of the
-existing Linux kernel, this version does not support multiple
-messages regardless of the device function is capable of supporting
-more than one vector. The bus driver initializes only entry 0 of
-this capability if pci_enable_msi(...) is called successfully by
-the device driver.
+Figure 1.0 MSI Mode vs. Legacy Mode
+
+In Figure 1.0, a device operates by default in legacy mode. Legacy
+in this context means PCI pin-irq assertion or PCI-Express INTx
+emulation. A successful MSI request (using pci_enable_msi()) switches
+a device's interrupt mode to MSI mode. A pre-assigned IOAPIC vector
+stored in dev->irq will be saved by the PCI subsystem and a new
+assigned MSI vector will replace dev->irq.
+
+To return back to its default mode, a device driver should always call
+pci_disable_msi() to undo the effect of pci_enable_msi(). Note that a
+device driver should always call free_irq() on MSI vector it has done
+request_irq() on before calling pci_disable_msi(). Failure to do so
+results a BUG_ON() and a device will be left with MSI enabled and
+leaks its vector. Otherwise, the PCI subsystem restores a device's
+dev->irq with a pre-assigned IOAPIC vector and marks released
+MSI vector as unused.
+
+Once being marked as unused, there is no guarantee that the PCI
+subsystem will reserve this MSI vector for a device. Depending on
+the availability of current PCI vector resources and the number of
+MSI/MSI-X requests from other drivers, this MSI may be re-assigned.
+
+For the case where the PCI subsystem re-assigned this MSI vector
+another driver, a request to switching back to MSI mode may result
+in being assigned a different MSI vector or a failure if no more
+vectors are available.
 
 5.3 Configuring for MSI-X support
 
 
 5.3 Configuring for MSI-X support
 
-Both the MSI capability structure and the MSI-X capability structure
-share the same above semantics; however, due to the ability of the
-system software to configure each vector of the MSI-X capability
-structure with an independent message address and message data, the
-non-contiguous fashion in vector assignment of the existing Linux
-kernel has no impact on supporting multiple messages on an MSI-X
-capable device functions. By default, as mentioned above, ONE vector
-should be always allocated to the MSI-X capability structure at
-entry 0. The bus driver does not initialize other entries of the
-MSI-X table.
-
-Note that the PCI subsystem should have full control of a MSI-X
-table that resides in Memory Space. The software device driver
-should not access this table.
-
-To request for additional vectors, the device software driver should
-call function msi_alloc_vectors(). It is recommended that the
-software driver should call this function once during the
+Due to the ability of the system software to configure each vector of
+the MSI-X capability structure with an independent message address
+and message data, the non-contiguous fashion in vector assignment of
+the existing Linux kernel has no impact on supporting multiple
+messages on an MSI-X capable device functions. To enable MSI-X on
+a device function's MSI-X capability structure requires its device
+driver to call the function pci_enable_msix() explicitly.
+
+The function pci_enable_msix(), once invoked, enables either
+all or nothing, depending on the current availability of PCI vector
+resources. If the PCI vector resources are available for the number
+of vectors requested by a device driver, this function will configure
+the MSI-X table of the MSI-X capability structure of a device with
+requested messages. To emphasize this reason, for example, a device
+may be capable for supporting the maximum of 32 vectors while its
+software driver usually may request 4 vectors. It is recommended
+that the device driver should call this function once during the
 initialization phase of the device driver.
 
 initialization phase of the device driver.
 
-The function msi_alloc_vectors(), once invoked, enables either
-all or nothing, depending on the current availability of vector
-resources. If no vector resources are available, the device function
-still works with ONE vector. If the vector resources are available
-for the number of vectors requested by the driver, this function
-will reconfigure the MSI-X capability structure of the device with
-additional messages, starting from entry 1. To emphasize this
-reason, for example, the device may be capable for supporting the
-maximum of 32 vectors while its software driver usually may request
-4 vectors.
-
-For each vector, after this successful call, the device driver is
-responsible to call other functions like request_irq(), enable_irq(),
-etc. to enable this vector with its corresponding interrupt service
-handler. It is the device driver's choice to have all vectors shared
-the same interrupt service handler or each vector with a unique
-interrupt service handler.
-
-In addition to the function msi_alloc_vectors(), another function
-msi_free_vectors() is provided to allow the software driver to
-release a number of vectors back to the vector resources. Once
-invoked, the PCI subsystem disables (masks) each vector released.
-These vectors are no longer valid for the hardware device and its
-software driver to use. Like free_irq, it recommends that the
-device driver should also call msi_free_vectors to release all
-additional vectors previously requested.
-
-int msi_alloc_vectors(struct pci_dev *dev, int *vector, int nvec)
-
-This API enables the software driver to request the PCI subsystem
-for additional messages. Depending on the number of vectors
-available, the PCI subsystem enables either all or nothing.
+Unlike the function pci_enable_msi(), the function pci_enable_msix()
+does not replace the pre-assigned IOAPIC dev->irq with a new MSI
+vector because the PCI subsystem writes the 1:1 vector-to-entry mapping
+into the field vector of each element contained in a second argument.
+Note that the pre-assigned IO-APIC dev->irq is valid only if the device
+operates in PIN-IRQ assertion mode. In MSI-X mode, any attempt of
+using dev->irq by the device driver to request for interrupt service
+may result unpredictabe behavior.
+
+For each MSI-X vector granted, a device driver is responsible to call
+other functions like request_irq(), enable_irq(), etc. to enable
+this vector with its corresponding interrupt service handler. It is
+a device driver's choice to assign all vectors with the same
+interrupt service handler or each vector with a unique interrupt
+service handler.
+
+5.3.1 Handling MMIO address space of MSI-X Table
+
+The PCI 3.0 specification has implementation notes that MMIO address
+space for a device's MSI-X structure should be isolated so that the
+software system can set different page for controlling accesses to
+the MSI-X structure. The implementation of MSI patch requires the PCI
+subsystem, not a device driver, to maintain full control of the MSI-X
+table/MSI-X PBA and MMIO address space of the MSI-X table/MSI-X PBA.
+A device driver is prohibited from requesting the MMIO address space
+of the MSI-X table/MSI-X PBA. Otherwise, the PCI subsystem will fail
+enabling MSI-X on its hardware device when it calls the function
+pci_enable_msix().
+
+5.3.2 Handling MSI-X allocation
+
+Determining the number of MSI-X vectors allocated to a function is
+dependent on the number of MSI capable devices and MSI-X capable
+devices populated in the system. The policy of allocating MSI-X
+vectors to a function is defined as the following:
+
+#of MSI-X vectors allocated to a function = (x - y)/z where
+
+x =    The number of available PCI vector resources by the time
+       the device driver calls pci_enable_msix(). The PCI vector
+       resources is the sum of the number of unassigned vectors
+       (new) and the number of released vectors when any MSI/MSI-X
+       device driver switches its hardware device back to a legacy
+       mode or is hot-removed. The number of unassigned vectors
+       may exclude some vectors reserved, as defined in parameter
+       NR_HP_RESERVED_VECTORS, for the case where the system is
+       capable of supporting hot-add/hot-remove operations. Users
+       may change the value defined in NR_HR_RESERVED_VECTORS to
+       meet their specific needs.
+
+y =    The number of MSI capable devices populated in the system.
+       This policy ensures that each MSI capable device has its
+       vector reserved to avoid the case where some MSI-X capable
+       drivers may attempt to claim all available vector resources.
+
+z =    The number of MSI-X capable devices pupulated in the system.
+       This policy ensures that maximum (x - y) is distributed
+       evenly among MSI-X capable devices.
+
+Note that the PCI subsystem scans y and z during a bus enumeration.
+When the PCI subsystem completes configuring MSI/MSI-X capability
+structure of a device as requested by its device driver, y/z is
+decremented accordingly.
+
+5.3.3 Handling MSI-X shortages
+
+For the case where fewer MSI-X vectors are allocated to a function
+than requested, the function pci_enable_msix() will return the
+maximum number of MSI-X vectors available to the caller. A device
+driver may re-send its request with fewer or equal vectors indicated
+in a return. For example, if a device driver requests 5 vectors, but
+the number of available vectors is 3 vectors, a value of 3 will be a
+return as a result of pci_enable_msix() call. A function could be
+designed for its driver to use only 3 MSI-X table entries as
+different combinations as ABC--, A-B-C, A--CB, etc. Note that this
+patch does not support multiple entries with the same vector. Such
+attempt by a device driver to use 5 MSI-X table entries with 3 vectors
+as ABBCC, AABCC, BCCBA, etc will result as a failure by the function
+pci_enable_msix(). Below are the reasons why supporting multiple
+entries with the same vector is an undesirable solution.
+
+       - The PCI subsystem can not determine which entry, which
+         generated the message, to mask/unmask MSI while handling
+         software driver ISR. Attempting to walk through all MSI-X
+         table entries (2048 max) to mask/unmask any match vector
+         is an undesirable solution.
+
+       - Walk through all MSI-X table entries (2048 max) to handle
+         SMP affinity of any match vector is an undesirable solution.
+
+5.3.4 API pci_enable_msix
+
+int pci_enable_msix(struct pci_dev *dev, u32 *entries, int nvec)
+
+This API enables a device driver to request the PCI subsystem
+for enabling MSI-X messages on its hardware device. Depending on
+the availability of PCI vectors resources, the PCI subsystem enables
+either all or nothing.
 
 Argument dev points to the device (pci_dev) structure.
 
 Argument dev points to the device (pci_dev) structure.
-Argument vector is a pointer of integer type. The number of
-elements is indicated in argument nvec.
+
+Argument entries is a pointer of unsigned integer type. The number of
+elements is indicated in argument nvec. The content of each element
+will be mapped to the following struct defined in /driver/pci/msi.h.
+
+struct msix_entry {
+       u16     vector; /* kernel uses to write alloc vector */
+       u16     entry; /* driver uses to specify entry */
+};
+
+A device driver is responsible for initializing the field entry of
+each element with unique entry supported by MSI-X table. Otherwise,
+-EINVAL will be returned as a result. A successful return of zero
+indicates the PCI subsystem completes initializing each of requested
+entries of the MSI-X table with message address and message data.
+Last but not least, the PCI subsystem will write the 1:1
+vector-to-entry mapping into the field vector of each element. A
+device driver is responsible of keeping track of allocated MSI-X
+vectors in its internal data structure.
+
 Argument nvec is an integer indicating the number of messages
 requested.
 Argument nvec is an integer indicating the number of messages
 requested.
-A return of zero indicates that the number of allocated vector is
-successfully allocated. Otherwise, indicate resources not
-available.
 
 
-int msi_free_vectors(struct pci_dev* dev, int *vector, int nvec)
+A return of zero indicates that the number of MSI-X vectors is
+successfully allocated. A return of greater than zero indicates
+MSI-X vector shortage. Or a return of less than zero indicates
+a failure. This failure may be a result of duplicate entries
+specified in second argument, or a result of no available vector,
+or a result of failing to initialize MSI-X table entries.
 
 
-This API enables the software driver to inform the PCI subsystem
-that it is willing to release a number of vectors back to the
-MSI resource pool. Once invoked, the PCI subsystem disables each
-MSI-X entry associated with each vector stored in the argument 2.
-These vectors are no longer valid for the hardware device and
-its software driver to use.
+5.3.5 API pci_disable_msix
 
 
-Argument dev points to the device (pci_dev) structure.
-Argument vector is a pointer of integer type. The number of
-elements is indicated in argument nvec.
-Argument nvec is an integer indicating the number of messages
-released.
-A return of zero indicates that the number of allocated vectors
-is successfully released. Otherwise, indicates a failure.
+void pci_disable_msix(struct pci_dev *dev)
 
 
-5.4 Hardware requirements for MSI support
-MSI support requires support from both system hardware and
+This API should always be used to undo the effect of pci_enable_msix()
+when a device driver is unloading. Note that a device driver should
+always call free_irq() on all MSI-X vectors it has done request_irq()
+on before calling this API. Failure to do so results a BUG_ON() and
+a device will be left with MSI-X enabled and leaks its vectors.
+
+5.3.6 MSI-X mode vs. legacy mode diagram
+
+The below diagram shows the events, which switches the interrupt
+mode on the MSI-X capable device function between MSI-X mode and
+PIN-IRQ assertion mode (legacy).
+
+        ------------   pci_enable_msix(,,n) ------------------------
+       |            | <===============     |                        |
+       | MSI-X MODE |                      | PIN-IRQ ASSERTION MODE |
+       |            | ===============>     |                        |
+        ------------   pci_disable_msix     ------------------------
+
+Figure 2.0 MSI-X Mode vs. Legacy Mode
+
+In Figure 2.0, a device operates by default in legacy mode. A
+successful MSI-X request (using pci_enable_msix()) switches a
+device's interrupt mode to MSI-X mode. A pre-assigned IOAPIC vector
+stored in dev->irq will be saved by the PCI subsystem; however,
+unlike MSI mode, the PCI subsystem will not replace dev->irq with
+assigned MSI-X vector because the PCI subsystem already writes the 1:1
+vector-to-entry mapping into the field vector of each element
+specified in second argument.
+
+To return back to its default mode, a device driver should always call
+pci_disable_msix() to undo the effect of pci_enable_msix(). Note that
+a device driver should always call free_irq() on all MSI-X vectors it
+has done request_irq() on before calling pci_disable_msix(). Failure
+to do so results a BUG_ON() and a device will be left with MSI-X
+enabled and leaks its vectors. Otherwise, the PCI subsystem switches a
+device function's interrupt mode from MSI-X mode to legacy mode and
+marks all allocated MSI-X vectors as unused.
+
+Once being marked as unused, there is no guarantee that the PCI
+subsystem will reserve these MSI-X vectors for a device. Depending on
+the availability of current PCI vector resources and the number of
+MSI/MSI-X requests from other drivers, these MSI-X vectors may be
+re-assigned.
+
+For the case where the PCI subsystem re-assigned these MSI-X vectors
+to other driver, a request to switching back to MSI-X mode may result
+being assigned with another set of MSI-X vectors or a failure if no
+more vectors are available.
+
+5.4 Handling function implementng both MSI and MSI-X capabilities
+
+For the case where a function implements both MSI and MSI-X
+capabilities, the PCI subsystem enables a device to run either in MSI
+mode or MSI-X mode but not both. A device driver determines whether it
+wants MSI or MSI-X enabled on its hardware device. Once a device
+driver requests for MSI, for example, it is prohibited to request for
+MSI-X; in other words, a device driver is not permitted to ping-pong
+between MSI mod MSI-X mode during a run-time.
+
+5.5 Hardware requirements for MSI/MSI-X support
+MSI/MSI-X support requires support from both system hardware and
 individual hardware device functions.
 
 individual hardware device functions.
 
-5.4.1 System hardware support
+5.5.1 System hardware support
 Since the target of MSI address is the local APIC CPU, enabling
 Since the target of MSI address is the local APIC CPU, enabling
-MSI support in Linux kernel is dependent on whether existing
+MSI/MSI-X support in Linux kernel is dependent on whether existing
 system hardware supports local APIC. Users should verify their
 system whether it runs when CONFIG_X86_LOCAL_APIC=y.
 
 In SMP environment, CONFIG_X86_LOCAL_APIC is automatically set;
 however, in UP environment, users must manually set
 CONFIG_X86_LOCAL_APIC. Once CONFIG_X86_LOCAL_APIC=y, setting
 system hardware supports local APIC. Users should verify their
 system whether it runs when CONFIG_X86_LOCAL_APIC=y.
 
 In SMP environment, CONFIG_X86_LOCAL_APIC is automatically set;
 however, in UP environment, users must manually set
 CONFIG_X86_LOCAL_APIC. Once CONFIG_X86_LOCAL_APIC=y, setting
-CONFIG_PCI_USE_VECTOR enables the VECTOR based scheme and
+CONFIG_PCI_MSI enables the VECTOR based scheme and
 the option for MSI-capable device drivers to selectively enable
 the option for MSI-capable device drivers to selectively enable
-MSI (using pci_enable_msi as described below).
+MSI/MSI-X.
 
 
-Note that CONFIG_X86_IO_APIC setting is irrelevant because MSI
-vector is allocated new during runtime and MSI support does not
-depend on BIOS support. This key independency enables MSI support
-on future IOxAPIC free platform.
+Note that CONFIG_X86_IO_APIC setting is irrelevant because MSI/MSI-X
+vector is allocated new during runtime and MSI/MSI-X support does not
+depend on BIOS support. This key independency enables MSI/MSI-X
+support on future IOxAPIC free platform.
 
 
-5.4.2 Device hardware support
+5.5.2 Device hardware support
 The hardware device function supports MSI by indicating the
 MSI/MSI-X capability structure on its PCI capability list. By
 default, this capability structure will not be initialized by
 The hardware device function supports MSI by indicating the
 MSI/MSI-X capability structure on its PCI capability list. By
 default, this capability structure will not be initialized by
@@ -249,17 +430,19 @@ which may result in system hang. The software driver of specific
 MSI-capable hardware is responsible for whether calling
 pci_enable_msi or not. A return of zero indicates the kernel
 successfully initializes the MSI/MSI-X capability structure of the
 MSI-capable hardware is responsible for whether calling
 pci_enable_msi or not. A return of zero indicates the kernel
 successfully initializes the MSI/MSI-X capability structure of the
-device funtion. The device function is now running on MSI mode.
+device funtion. The device function is now running on MSI/MSI-X mode.
 
 
-5.5 How to tell whether MSI is enabled on device function
+5.6 How to tell whether MSI/MSI-X is enabled on device function
 
 
-At the driver level, a return of zero from pci_enable_msi(...)
-indicates to the device driver that its device function is
-initialized successfully and ready to run in MSI mode.
+At the driver level, a return of zero from the function call of
+pci_enable_msi()/pci_enable_msix() indicates to a device driver that
+its device function is initialized successfully and ready to run in
+MSI/MSI-X mode.
 
 At the user level, users can use command 'cat /proc/interrupts'
 
 At the user level, users can use command 'cat /proc/interrupts'
-to display the vector allocated for the device and its interrupt
-mode, as shown below.
+to display the vector allocated for a device and its interrupt
+MSI/MSI-X mode ("PCI MSI"/"PCI MSIX"). Below shows below MSI mode is
+enabled on a SCSI Adaptec 39320D Ultra320.
 
            CPU0       CPU1
   0:     324639          0    IO-APIC-edge  timer
 
            CPU0       CPU1
   0:     324639          0    IO-APIC-edge  timer