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2018年12月03日 | ARM Cortex-M3中断跳转过程
2018-12-03 来源：eefocus
在学习CM3的时候，仔细学习了CM3的中断跳转过程，发现嵌入式的MCU在这一块基本上是一样的，当然不同架构的MCU也有自己的特性。
我来介绍下CM3的中断跳转过程，首先假设中断发生，CM3内核开始响应中断，由于不同厂家的CM3可能略有区别，但CM3的内核肯定是一样的，所以我们在这个前提下开始讨论，暂时把中断屏蔽位，标志位之类的东西放在一边。
现在介绍中断响应的过程：
1、压栈。从这一点来讲几乎所有的处理器都是一样的，用压栈保护现场。压入哪些寄存器呢，又是怎样一个顺序？如果就大多数的C语音编程来讲，这个不是很关心的内容。但是CM3的压栈寄存器特点，让我们来见识下ARM设计的特点。其压栈顺序如下图所示，请注意压栈的地址顺序和时间顺序不是相同的。
地址（SP） | 寄存器 | 被保护顺序（时间顺序） |
N-0 | 之前已压栈内容 | |
N-4 | xPSR | 2 |
N-8 | PC | 1 |
N-12 | LR | 8 |
N-16 | R12 | 7 |
N-20 | R3 | 6 |
N-24 | R2 | 5 |
N-28 | R1 | 4 |
N-32 | R0 | 3 |
这一点就我们普通coding来讲，是非常奇特的，堆栈的空间顺利和进栈时间没有必然联系，跟我们“后进先出”的观点有很大出入，那么显然这里的“堆栈”，并不是我们传统意义的上的堆栈，具体怎样实现ARM没有详述，只是说他们可以做到这点。
我们可以看到PC，xPSR，R0，R1，R2，R3是率先入栈的（时间上），这样做的目的，是为了编译器优先使用入栈了的寄存器来保存中间结果（如果程序过大也可能要用到R4-R11，此时编译器负责生成代码来push它们）。这也是要求ISR尽量短小的原因，用更少的寄存器，以加快响应。
2、查找中断向量表。其实这一步跟第一步是并行的，只是为了分别介绍我，列了序号。ARM是有D-Code（数据总线）和I-Code（指令总线），两条总线。可以看到PC是第一个压栈的，此时数据总线正忙于压栈操作，与此同时指令总线就可以查找中断向量表，查询中断服务程序的入口地址。在CM3中中断向量表位于地址从0x00000000开始的一段存储空间，每个表项占一个字（4byte）。这是中断向量表没有重定位的情况，当然中断向量表也可以重定位，即存储在其他地方。这个需要设置相应的寄存器，我个人认为还是让其固定在这个默认的位置比较好，以免出现以外情况。在看中断向量表的时候我遇到了一个很有意思的问题：
中断服务函数的入口地址为0x67C（图1所示），但是中断向量表中存储的地址确是0x67D（图2所示），竟然加了1。
这让我纠结了很久，后来一位整ARM7的大牛解答了我的问题。ARM的PC最低位是0的时候ARM会进入ARM模式，但是最低位是1的时候会进入thumb模式。而我们的CM只支持thumb模式，所以PC最低位必须为1。而且thumb指令集是16位的，所以0x67D就是指向0x67C所存储的指令，但是减一就不行了，就变成了指令空间内上一个地址存储的指令。
把CM3中断跳转过程写出来跟大家分享，若有不妥之处，望大家斧正。
图1 方框内为所对应中断服务函数入口地
图2 方框内为中断向量表中中断服务函数入口地址
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记得在DSP TMS32F2812中，中断向量的初始化是由一段地址拷贝代码完成的，在STM32（Cortex-M3)中没有显示的代码拷贝，只有启动代码进行了向量的初始化，一直以为是编译器在程序影像中自己完成了相关向量的拷贝，即，拷贝到固定的NVIC区，事实上并不是这样，cortex-m3并没有一块专门用于存放NVIC向量表的地方，这张表实际是存放在代码（程序映像）的开始，下面引用cortex-M3权威指南进行解释：
当发生了异常并且要响应它时，CM3需要定位其服务例程的入口地址。这些入口地址存储在所谓的“（异常）向量表”中。缺省情况下，CM3认为该表位于零地址处，且各向量占用4字节。因此每个表项占用4字节，如表7.6所示。
因为地址0处应该存储引导代码，所以它通常映射到Flash或者是ROM器件，并且它们的值不得在运行时改变。然而，为了支持动态重分发中断，CM3允许向量表重定位——从其它地址处开始定位各异常向量。这些地址对应的区域可以是代码区，但更多是在RAM区。在RAM区就可以修改向量的入口地址了。为了实现这个功能，NVIC中有一个寄存器，称为“向量表偏移量寄存器”（在地址0xE000_ED08处），通过修改它的值就能重定位向量表。但必须注意的是：向量表的起始地址是有要求的：必须先求出系统中共有多少个向量，再把这个数字向上“圆整”到2的整次幂，而起始地址必须对齐到后者的边界上。例如，如果一共有32个中断，则共有32+16（系统异常）=48个向量，向上圆整到2的整次幂后值为64，因此向量表重定位的地址必须能被64*4=256整除，从而合法的起始地址可以是：0x0, 0x100, 0x200等。向量表偏移量寄存器的定义如表7.7所示。
如果需要动态地更改向量表，则对于任何器件来说，向量表的起始处都必须包含以下向量：
主堆栈指针（MSP）的初始值
复位向量
NMI
硬fault服务例程
后两者也是必需的，因为有可能在引导过程中发生这两种异常。
可以在SRAM中开出一块空间用于存储向量表。在引导期间先填写好各向量，然后在引导完成后，就可以启用内存中的新向量表，从而实现向量可动态调整的能力。
史海拾趣
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