如何测试VxWorks响应PCIe中断的最小时间间隔

这篇文章主要介绍了如何测试VxWorks响应PCIe中断的最小时间间隔，具有一定借鉴价值，感兴趣的朋友可以参考下，希望大家阅读完这篇文章之后大有收获，下面让小编带着大家一起了解一下。

硬件平台环境如下图所示，采用两台带有以太网口的设备相连，一端是PC机插有PCIe的FPGA开发板，运行Windows操作系统；另一端是嵌入式设备，运行VxWorks操作系统。

1、嵌入式设备

母板为P2020开发板，PCIe板卡为黑金Xilinx Artix-7 PCIE AX7103 FPGA开发板，运行VxWorks操作系统。

2、PC端

电脑主机一台，拆开（机箱比较脏，见谅），通过PCIe连线连到黑金Xilinx Artix-7 PCIE AX7103 FPGA开发板上，运行Win7操作系统。

两台设备之间通过双冗余的网线连接。

在上面的环境中，按照以太网帧传递过程中的需求，任何一端的中断处理都包含三个不同的主体，首先是CPU内核的中断响应机制，然后是加上操作系统之后对中断响应的处理又有操作系统的要求，之后是PCIe硬件设备也有一套向CPU操作系统发送中断的规范。任何一方的中断处理机制都可以写很长很长的文字去描述，本文在此不再赘述。

PCIe总线支持两种中断方式，传统的INTx中断和基于存储器写请求的中断请求机制即消息中断。本文的设计方案中使用的是传统的INTx中断。为了叙述上的方便，我们从FPGA的时序图的角度去描述中断的处理流程，具体分为主机（PCIe发给主机的中断信号）、PCIe硬核、驱动来配置的中断使能信号、FPGA侧的中断源。下图是具体的主机操作系统为VxWorks时FPGA开发板与主机的中断交互流程。

1）FPGA侧有三个中断源可以触发中断，分别是DMA写开始、DMA写完成和DMA读完成中断，其中，写开始中断源是FPGA告知主机此时有数据要通过DMA写操作进行上传；写完成中断是FPGA将所有的数据封装成DMA写请求包；读完成中断是FPGA收齐了所有来自主机的DMA读完成包。上图中“1”处是中断源mwr_start_interrupt拉高了。

2）任意一个中断源拉高，FPGA侧给PCIe IP核配置“置中断”时序，在cfg_interrupt和cfg_interrupt_rdy握手成功后，cfg_interrupt_assert为高则为置中断。（cfg_interrupt为PCIe硬核发给主机的中断请求，cfg_interrupt_rdy为主机接收到中断请求后的回应，此时需要看cfg_interrupt_assert的状态，cfg_interrupt_assert为高，则为置中断，如上图中“2”处所示；cfg_interrupt_assert为低电平，则为清中断请求，如上图中“5”处所示。）

3）“置中断”后一段时间（此处约为17个时钟），主机侧硬中断电平INTA拉高，此时才是FPGA板卡真正的向主机发出了一个中断。如上图中“3”。

4）驱动检测到中断电平拉高后，以PIO写操作的方式往PCIe的BAR空间中控制状态寄存器04H的第[31]位写1，关闭接收中断功能，此时中断使能信号线int_dis_o拉高，如上图中“4”位置。int_dis_o为高电平期间，CPU不再响应FPGA板卡的中断请求，此处非常重要。之后CPU则以PIO读的形式读FPGA的中断状态寄存器。

5）FPGA将中断状态寄存器的值以PIO读完成包形式发送给CPU，告知CPU该中断具体为何种中断，同时配置“清中断”时序。如上图中“5”处所示。

6）CPU驱动记录中断源后复位相应中断标志位，如上图中“6”处所示。（此处也可由FPGA自己完成）

7）FPGA拉低相应中断源信号，如上图中“7”处所示。

8）CPU驱动通过PIO写操作往控制状态寄存器04H第[31]位写0，重新开启接收中断功能。如上图中“8”处所示。

9）重复步骤1）启动下一次中断；10）下一次置中断时序；11）硬中断电平再次拉高。

下图为一次完整的DMA读操作时CPU与FPGA板卡之间的交互流程，最后会涉及到DMA读完成中断，详细过程的描述略。

为了得到VxWorks响应PCIe中断的最小间隔，我们在FPGA侧对两次“置中断”间隔，即上图步骤2）与步骤10）进行了时钟计数，在“置中断”时序(cfg_interrupt_rdy & cfg_interrupt_assert)下将间隔时间寄存器inter_intr_clk_cnt[31:0]计数复位，否则计数加一，直到下一次“置中断”进行计数复位，这样就能计算出中断信号两次拉高的时间间隔。

在测试的过程中，我们用Vivado抓取了实际数据传输时两种不同的中断场景。

1、场景1：写开始中断和读完成中断一起处理

有了上面中断处理流程的介绍，就可以很方便的分析具体工作状态下的波形图。从上图可以看到，读完成中断mrd_done_interrupt触发置中断时序，主机的硬中断电平拉高，驱动往控制与状态寄存器04H的最高位（图示int_dis_o信号） PIO操作写“1”，关闭中断功能，此时硬件这边不再产生置中断时序，直到驱动跳出中断复位程序，往04H的int_dis_o写“0”，使能中断；驱动PIO读中断状态寄存器（图示蓝线）“采样”到读完成（图示mrd_done_interrupt信号）和写开始（图示mwr_start_interrupt信号）两个中断标志位为高，此时，驱动会记录下来并同时对这两个中断标志位进行复位操作，然后驱动分别执行读完成中断和写开始中断状态机。

场景2：写开始中断和读完成中断先后处理

从上图可以看到，读完成中断mrd_done_interrupt触发置中断时序，主机的硬中断电平拉高，驱动往控制与状态寄存器04H的最高位（图示int_dis_o信号） PIO操作写“1”，关闭中断功能，此时硬件这边不在产生置中断时序，直到驱动跳出中断复位程序，往04H的int_dis_o写“0”，使能中断；驱动PIO读中断状态寄存器（图示蓝线1）采样到读完成（图示mrd_done_interrupt信号）中断标志位为1，硬件产生清中断时序，将主机侧的硬中断电平拉低，注意，此刻写开始中断（图示mwr_start_interrupt信号）刚好拉高，驱动只记录读完成中断并对读完成中断标志位进行复位操作（图示蓝线2），然后驱动执行读完成中断状态机，驱动跳出读完成中断状态机后重新使能中断（图示蓝线3），此时硬件侧因为写开始中断才被允许产生置中断时序，驱动再次检测到硬中断电平信号为高，驱动PIO读中断状态寄存器（图示蓝线4）采样到写开始中断标志位为1，硬件产生清中断时序，将主机侧的硬中断电平拉低，驱动记录写开始中断并对写开始中断标志位进行复位操作（图示蓝线5），然后驱动执行写开始中断状态机。

在第二个测试场景中，我们可以通过计数得知两个相邻中断的最小时间间隔，，硬件侧产生第一次中断段时序（图示蓝线1），在执行完第一次中断后，驱动侧将int_dis_o拉低，重新使能中断，硬件侧立即产生置中断时序进行第二次中断操作（图示蓝线2），如下图所示：

我们将图示蓝线2处进行放大得到下图：

通过相邻中断时钟计数信号inter_intr_clk_cnt[31:0]可以知道相邻两中断的最小间隔是365个钟，后边测试过多次，测试结果有368，364，，我们取365，时钟周期为16ns，由此可以计算得知VxWorks下最小中断间隔是365*16=5.84us。

结论：VxWorks操作系统中断处理的最小时间间隔确实是传说中的微秒级！

出于好奇，我们也尝试测了一下Windows 操作系统下PCIe中断响应的时间间隔。在Windows平台下的驱动暂未使用开/关中断使能的功能，所以只是测试在点播视频以及拷贝视频文件两种场景下的中断间隔。

1、场景1：点播视频，速率为10Mbps左右

从上图可以看到，上一次置中断时序复位后计数12417491个clk（16ns）再次产生置中断时序，此时中断间隔约为198.7ms，后面统计到一些计数值：19026416（304.4ms）,6486433（103.8ms）,9981793（159.7ms）。在点播视频时，带宽并未达到上限，驱动处理两个相邻中断的时间间隔＞100ms。为了在高带宽情况下测试，我们进行了场景2的测试。

场景2：拷贝视频，速率为几百兆bps

从上图可以看到，上一次置中断时序复位后计数4175个clk（16ns）再次产生置中断时序，此时中断间隔约为66.8us，后面统计到一些计数值：3595（57.5us）、7456（119.3us）、3582（57.3us）、4159（66.5us）。在带宽提升后，win32驱动处理中断的频率有了显著地提高。

在刚开始的时候，中断处理流程中CPU操作时并没有开启或关闭接收中断的操作，结果，在Windows平台下，没有任何的问题，生成PCIe IP核时，设置传输带宽上限为2Gbps，在1G以太网口测试各种业务时都很稳定，没有出现操作系统崩溃的情况；但在VxWorks系统测试时，由于VxWorks系统实时性非常好，响应中断也比较及时，就会出现操作系统正在执行一个中断服务程序时，硬件又来了一个中断，直接导致VxWorks系统死掉，如下图所示。当然，这也是中断处理流程不规范造成的。后续会在Windows驱动中也添加上开关中断使能的步骤，测试一下Windows相应PCIe中断的最小间隔。不过从目前测试数据看，Windows相应PCIe中断的速度肯定会比VxWorks慢很多。

感谢你能够认真阅读完这篇文章，希望小编分享的“如何测试VxWorks响应PCIe中断的最小时间间隔”这篇文章对大家有帮助，同时也希望大家多多支持亿速云，关注亿速云行业资讯频道，更多相关知识等着你来学习!