Merge tag '6.5-rc-smb3-client-fixes-part1' of git://git.samba.org/sfrench/cifs-2.6
[platform/kernel/linux-rpi.git] / Documentation / PCI / msi-howto.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 .. include:: <isonum.txt>
3
4 ==========================
5 The MSI Driver Guide HOWTO
6 ==========================
7
8 :Authors: Tom L Nguyen; Martine Silbermann; Matthew Wilcox
9
10 :Copyright: 2003, 2008 Intel Corporation
11
12 About this guide
13 ================
14
15 This guide describes the basics of Message Signaled Interrupts (MSIs),
16 the advantages of using MSI over traditional interrupt mechanisms, how
17 to change your driver to use MSI or MSI-X and some basic diagnostics to
18 try if a device doesn't support MSIs.
19
20
21 What are MSIs?
22 ==============
23
24 A Message Signaled Interrupt is a write from the device to a special
25 address which causes an interrupt to be received by the CPU.
26
27 The MSI capability was first specified in PCI 2.2 and was later enhanced
28 in PCI 3.0 to allow each interrupt to be masked individually.  The MSI-X
29 capability was also introduced with PCI 3.0.  It supports more interrupts
30 per device than MSI and allows interrupts to be independently configured.
31
32 Devices may support both MSI and MSI-X, but only one can be enabled at
33 a time.
34
35
36 Why use MSIs?
37 =============
38
39 There are three reasons why using MSIs can give an advantage over
40 traditional pin-based interrupts.
41
42 Pin-based PCI interrupts are often shared amongst several devices.
43 To support this, the kernel must call each interrupt handler associated
44 with an interrupt, which leads to reduced performance for the system as
45 a whole.  MSIs are never shared, so this problem cannot arise.
46
47 When a device writes data to memory, then raises a pin-based interrupt,
48 it is possible that the interrupt may arrive before all the data has
49 arrived in memory (this becomes more likely with devices behind PCI-PCI
50 bridges).  In order to ensure that all the data has arrived in memory,
51 the interrupt handler must read a register on the device which raised
52 the interrupt.  PCI transaction ordering rules require that all the data
53 arrive in memory before the value may be returned from the register.
54 Using MSIs avoids this problem as the interrupt-generating write cannot
55 pass the data writes, so by the time the interrupt is raised, the driver
56 knows that all the data has arrived in memory.
57
58 PCI devices can only support a single pin-based interrupt per function.
59 Often drivers have to query the device to find out what event has
60 occurred, slowing down interrupt handling for the common case.  With
61 MSIs, a device can support more interrupts, allowing each interrupt
62 to be specialised to a different purpose.  One possible design gives
63 infrequent conditions (such as errors) their own interrupt which allows
64 the driver to handle the normal interrupt handling path more efficiently.
65 Other possible designs include giving one interrupt to each packet queue
66 in a network card or each port in a storage controller.
67
68
69 How to use MSIs
70 ===============
71
72 PCI devices are initialised to use pin-based interrupts.  The device
73 driver has to set up the device to use MSI or MSI-X.  Not all machines
74 support MSIs correctly, and for those machines, the APIs described below
75 will simply fail and the device will continue to use pin-based interrupts.
76
77 Include kernel support for MSIs
78 -------------------------------
79
80 To support MSI or MSI-X, the kernel must be built with the CONFIG_PCI_MSI
81 option enabled.  This option is only available on some architectures,
82 and it may depend on some other options also being set.  For example,
83 on x86, you must also enable X86_UP_APIC or SMP in order to see the
84 CONFIG_PCI_MSI option.
85
86 Using MSI
87 ---------
88
89 Most of the hard work is done for the driver in the PCI layer.  The driver
90 simply has to request that the PCI layer set up the MSI capability for this
91 device.
92
93 To automatically use MSI or MSI-X interrupt vectors, use the following
94 function::
95
96   int pci_alloc_irq_vectors(struct pci_dev *dev, unsigned int min_vecs,
97                 unsigned int max_vecs, unsigned int flags);
98
99 which allocates up to max_vecs interrupt vectors for a PCI device.  It
100 returns the number of vectors allocated or a negative error.  If the device
101 has a requirements for a minimum number of vectors the driver can pass a
102 min_vecs argument set to this limit, and the PCI core will return -ENOSPC
103 if it can't meet the minimum number of vectors.
104
105 The flags argument is used to specify which type of interrupt can be used
106 by the device and the driver (PCI_IRQ_LEGACY, PCI_IRQ_MSI, PCI_IRQ_MSIX).
107 A convenient short-hand (PCI_IRQ_ALL_TYPES) is also available to ask for
108 any possible kind of interrupt.  If the PCI_IRQ_AFFINITY flag is set,
109 pci_alloc_irq_vectors() will spread the interrupts around the available CPUs.
110
111 To get the Linux IRQ numbers passed to request_irq() and free_irq() and the
112 vectors, use the following function::
113
114   int pci_irq_vector(struct pci_dev *dev, unsigned int nr);
115
116 Any allocated resources should be freed before removing the device using
117 the following function::
118
119   void pci_free_irq_vectors(struct pci_dev *dev);
120
121 If a device supports both MSI-X and MSI capabilities, this API will use the
122 MSI-X facilities in preference to the MSI facilities.  MSI-X supports any
123 number of interrupts between 1 and 2048.  In contrast, MSI is restricted to
124 a maximum of 32 interrupts (and must be a power of two).  In addition, the
125 MSI interrupt vectors must be allocated consecutively, so the system might
126 not be able to allocate as many vectors for MSI as it could for MSI-X.  On
127 some platforms, MSI interrupts must all be targeted at the same set of CPUs
128 whereas MSI-X interrupts can all be targeted at different CPUs.
129
130 If a device supports neither MSI-X or MSI it will fall back to a single
131 legacy IRQ vector.
132
133 The typical usage of MSI or MSI-X interrupts is to allocate as many vectors
134 as possible, likely up to the limit supported by the device.  If nvec is
135 larger than the number supported by the device it will automatically be
136 capped to the supported limit, so there is no need to query the number of
137 vectors supported beforehand::
138
139         nvec = pci_alloc_irq_vectors(pdev, 1, nvec, PCI_IRQ_ALL_TYPES)
140         if (nvec < 0)
141                 goto out_err;
142
143 If a driver is unable or unwilling to deal with a variable number of MSI
144 interrupts it can request a particular number of interrupts by passing that
145 number to pci_alloc_irq_vectors() function as both 'min_vecs' and
146 'max_vecs' parameters::
147
148         ret = pci_alloc_irq_vectors(pdev, nvec, nvec, PCI_IRQ_ALL_TYPES);
149         if (ret < 0)
150                 goto out_err;
151
152 The most notorious example of the request type described above is enabling
153 the single MSI mode for a device.  It could be done by passing two 1s as
154 'min_vecs' and 'max_vecs'::
155
156         ret = pci_alloc_irq_vectors(pdev, 1, 1, PCI_IRQ_ALL_TYPES);
157         if (ret < 0)
158                 goto out_err;
159
160 Some devices might not support using legacy line interrupts, in which case
161 the driver can specify that only MSI or MSI-X is acceptable::
162
163         nvec = pci_alloc_irq_vectors(pdev, 1, nvec, PCI_IRQ_MSI | PCI_IRQ_MSIX);
164         if (nvec < 0)
165                 goto out_err;
166
167 Legacy APIs
168 -----------
169
170 The following old APIs to enable and disable MSI or MSI-X interrupts should
171 not be used in new code::
172
173   pci_enable_msi()              /* deprecated */
174   pci_disable_msi()             /* deprecated */
175   pci_enable_msix_range()       /* deprecated */
176   pci_enable_msix_exact()       /* deprecated */
177   pci_disable_msix()            /* deprecated */
178
179 Additionally there are APIs to provide the number of supported MSI or MSI-X
180 vectors: pci_msi_vec_count() and pci_msix_vec_count().  In general these
181 should be avoided in favor of letting pci_alloc_irq_vectors() cap the
182 number of vectors.  If you have a legitimate special use case for the count
183 of vectors we might have to revisit that decision and add a
184 pci_nr_irq_vectors() helper that handles MSI and MSI-X transparently.
185
186 Considerations when using MSIs
187 ------------------------------
188
189 Spinlocks
190 ~~~~~~~~~
191
192 Most device drivers have a per-device spinlock which is taken in the
193 interrupt handler.  With pin-based interrupts or a single MSI, it is not
194 necessary to disable interrupts (Linux guarantees the same interrupt will
195 not be re-entered).  If a device uses multiple interrupts, the driver
196 must disable interrupts while the lock is held.  If the device sends
197 a different interrupt, the driver will deadlock trying to recursively
198 acquire the spinlock.  Such deadlocks can be avoided by using
199 spin_lock_irqsave() or spin_lock_irq() which disable local interrupts
200 and acquire the lock (see Documentation/kernel-hacking/locking.rst).
201
202 How to tell whether MSI/MSI-X is enabled on a device
203 ----------------------------------------------------
204
205 Using 'lspci -v' (as root) may show some devices with "MSI", "Message
206 Signalled Interrupts" or "MSI-X" capabilities.  Each of these capabilities
207 has an 'Enable' flag which is followed with either "+" (enabled)
208 or "-" (disabled).
209
210
211 MSI quirks
212 ==========
213
214 Several PCI chipsets or devices are known not to support MSIs.
215 The PCI stack provides three ways to disable MSIs:
216
217 1. globally
218 2. on all devices behind a specific bridge
219 3. on a single device
220
221 Disabling MSIs globally
222 -----------------------
223
224 Some host chipsets simply don't support MSIs properly.  If we're
225 lucky, the manufacturer knows this and has indicated it in the ACPI
226 FADT table.  In this case, Linux automatically disables MSIs.
227 Some boards don't include this information in the table and so we have
228 to detect them ourselves.  The complete list of these is found near the
229 quirk_disable_all_msi() function in drivers/pci/quirks.c.
230
231 If you have a board which has problems with MSIs, you can pass pci=nomsi
232 on the kernel command line to disable MSIs on all devices.  It would be
233 in your best interests to report the problem to linux-pci@vger.kernel.org
234 including a full 'lspci -v' so we can add the quirks to the kernel.
235
236 Disabling MSIs below a bridge
237 -----------------------------
238
239 Some PCI bridges are not able to route MSIs between busses properly.
240 In this case, MSIs must be disabled on all devices behind the bridge.
241
242 Some bridges allow you to enable MSIs by changing some bits in their
243 PCI configuration space (especially the Hypertransport chipsets such
244 as the nVidia nForce and Serverworks HT2000).  As with host chipsets,
245 Linux mostly knows about them and automatically enables MSIs if it can.
246 If you have a bridge unknown to Linux, you can enable
247 MSIs in configuration space using whatever method you know works, then
248 enable MSIs on that bridge by doing::
249
250        echo 1 > /sys/bus/pci/devices/$bridge/msi_bus
251
252 where $bridge is the PCI address of the bridge you've enabled (eg
253 0000:00:0e.0).
254
255 To disable MSIs, echo 0 instead of 1.  Changing this value should be
256 done with caution as it could break interrupt handling for all devices
257 below this bridge.
258
259 Again, please notify linux-pci@vger.kernel.org of any bridges that need
260 special handling.
261
262 Disabling MSIs on a single device
263 ---------------------------------
264
265 Some devices are known to have faulty MSI implementations.  Usually this
266 is handled in the individual device driver, but occasionally it's necessary
267 to handle this with a quirk.  Some drivers have an option to disable use
268 of MSI.  While this is a convenient workaround for the driver author,
269 it is not good practice, and should not be emulated.
270
271 Finding why MSIs are disabled on a device
272 -----------------------------------------
273
274 From the above three sections, you can see that there are many reasons
275 why MSIs may not be enabled for a given device.  Your first step should
276 be to examine your dmesg carefully to determine whether MSIs are enabled
277 for your machine.  You should also check your .config to be sure you
278 have enabled CONFIG_PCI_MSI.
279
280 Then, 'lspci -t' gives the list of bridges above a device. Reading
281 `/sys/bus/pci/devices/*/msi_bus` will tell you whether MSIs are enabled (1)
282 or disabled (0).  If 0 is found in any of the msi_bus files belonging
283 to bridges between the PCI root and the device, MSIs are disabled.
284
285 It is also worth checking the device driver to see whether it supports MSIs.
286 For example, it may contain calls to pci_alloc_irq_vectors() with the
287 PCI_IRQ_MSI or PCI_IRQ_MSIX flags.
288
289
290 List of device drivers MSI(-X) APIs
291 ===================================
292
293 The PCI/MSI subsystem has a dedicated C file for its exported device driver
294 APIs — `drivers/pci/msi/api.c`. The following functions are exported:
295
296 .. kernel-doc:: drivers/pci/msi/api.c
297    :export: