关于Cortex-M3处理器内核中断异常处理机制你了解多少？

Cortex-M3处理器内核是ARM公司设计的Cortex-M系列的一款经典处理器内核，基于32位ARMv7内核架构，采用Thumb-2指令集，完全没有使用ARM指令集，即不能执行ARM指令。Thumb-2是16位Thumb 指令集的一个超集，在Thumb-2中，16位指令首次与32位指令并存。

Cortex-M3处理器的特点包括：性能强劲、功耗低、实时性好、代码密度得到很大改善、低成本的整体解决方案。

ARM公司几十年如一日地开发新的处理器内核和系统功能块。随着功能的不断进化，处理水平的持续提高，年深日久造就了一系列的ARM架构。这里需要说明的是，ARM架构版本号和ARM处理器名字中的数字并不是一码事。比如，ARM7TDMI是基于ARMv4T架构的（T表示支持“Thumb指令”），并不是ARMv7架构。

ARMv5TE架构则是伴随着ARM9E处理器家族亮相的，ARM9E家族成员包括ARM926E-S和ARM946E-S，ARMv5TE架构添加了“服务于多媒体应用增强的DSP指令”。

后来又出了ARM11，ARM11是基于ARMv6架构建成的。基于ARMv6架构的处理器包括ARM1136J(F)-S，ARM1156T2(F)-S，以及ARM1176JZ(F)-S。

基于从ARMv6开始的新设计理念，ARM进一步扩展了它的CPU设计，也就是ARMv7架构，在这个版本中，内核架构首次从单一款式变成3种款式。

Cortex-A系列（Application）：设计用于高性能的“开放应用平台”——越来越接近电脑了 ，针对日益增长的消费娱乐和无线产品设计，用于具有高计算要求、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域，如智能手机、平板电脑、汽车娱乐系统、数字电视，智能本、电子阅读器、家用网络、家用网关和其他各种产品。

Cortex-R系列（Real-time）：用于高端的嵌入式系统，尤其是那些带有实时要求的——又要快又要实时。 针对需要运行实时操作的系统应用，面向如汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器等深层嵌入式实时应用。

Cortex-M系列（Microcontroller）：用于深度嵌入的，单片机风格的系统中。该系列面向微控制器领域，主要针对成本和功耗敏感的应用，如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、家用电器、消费性产品和医疗器械等。

3.1  嵌套向量中断控制器

Cortex-M3内核中搭载了一颗中断控制器——嵌套向量中断控制器（NVIC），与内核是紧耦合的，因此我们是在Cortex-M3内核中实现NVIC。

可嵌套中断机制：

所有异常都可以被赋予不同的优先级，当前优先级被存储在xPSR的专用字段中。当一个异常发生时，硬件会自动比较该异常的优先级是否比当前的异常优先级更高。如果发现来了更高优先级的异常，处理器就会中断当前的中断服务例程（或者是普通程序），而服务新来的异常——即立即抢占。

3.2  中断和异常

与传统异常模型有了很大区别，Cortex-M3取消了FIQ快中断请求，采用更好的机制——中断优先级管理以及嵌套中断支持。支持11种系统异常（4+1个保留位），外加240个外部中断输入。

3.3  向量表

当Cortex-M3内核响应了一个发生的异常后，对应的异常服务例程(ESR)就会执行，Cortex-M3使用了“向量表查表机制”来确定ESR的入口地址。向量表其实是一个WORD（32位整数）数组，每个下标对应一种异常，该下标元素的值则是该ESR的入口地址，向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过NVIC中的一个重定位寄存器（VTOR）来指出向量表的地址。

0号类型并不是什么入口地址，而是给出了复位后MSP的初值。

以TLE987x 系列SoC（Cortex-M3核心）为例，外部中断向量表如下所示：

在系统初始化过程中通过设置VTOR = 0x11000000重定位向量表基地址。

外部中断IRQ #0 （GPT12）对应偏移为0x40，即向量地址为0x11000040，则IRQ 0中断服务程序的入口地址是0x1100221d，因为LSB必须是1，所以对应的ESR入口地址是0x1100221c，即GPT1_IRQHandler。

3.4  外部中断执行流程

有GTP1_T2的中断请求，会设置SCU.GPT12IRC[0]为1， 若SCU.GPT12EN[0]是1且SCU.IEN0[7]为1，则触发INTISR[0]中断，即外部中断0号，SCU向CPU发送中断的接口实现代码：

Cortex-M3 CPU中断触发接口实现如下：

3.5  中断系统设置全过程

1.当系统启动后，先设置优先级组寄存器。缺省情况下使用组0（7位抢占优先级，1位亚优先级）。

2. 如果需要重定位向量表，先把硬fault和NMI服务例程的入口地址写到新表项所在的地址中。

3. 配置向量表偏移量寄存器，使之指向新的向量表（如果有重定位的话）。

4. 为该中断建立中断向量。因为向量表可能已经重定位了，保险起见需要先读取向量表偏移量寄存器的值，根据该中断在表中的位置计算出对应的表项，再把服务例程的入口地址填写进去，如果一直使用ROM中的向量表，则无需此步骤。

5. 为该中断设置优先级。

6. 使能该中断。

3.6 Cortex-M3中断/异常的响应序列

中断/异常响应序列包含三个步骤（入栈、取向量、更新寄存器）。

1. 入栈

把8个寄存器的值压入栈（xPSR, PC, LR, R12以及R3-R0）

2. 取向量

根据异常号从向量表中找出正确的异常向量地址，然后从异常向量地址处取出服务程序的入口地址。

3. 更新寄存器

在入栈和取向量操作完成之后，执行服务例程之前，还要更新一系列的寄存器。

SP: 在入栈后会把堆栈指针（PSP或MSP）更新到新的位置。在执行服务例程时，将由MSP负责对堆栈的访问。

PSR：更新IPSR位段（地处PSR的最低部分）的值为新响应的异常编号。

PC：在取向量完成后，PC将指向服务例程的入口地址。

LR：在出入ISR的时候，LR的值将得到重新的诠释，这种特殊的值称为“EXC_RETURN”。在异常进入时由系统计算并赋给LR，并在异常返回时使用它。EXC_RETURN的二进制值除了最低4位外全为1，即0xFFFFFFFx，最低4位含义如下：

合法的EXC_RETURN值及其功能：

如果主程序在线程模式下运行，并且在使用MSP时被中断，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFF9。

如果主程序在线程模式下运行，并且在使用PSP时被中断，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFFD。

目前SkyEye支持市面上包括ARM、DSP、PowerPC、Sparc、X86、MIPS等多种架构在内的不同型号的处理器。下图为SkyEye支持的指令集架构、处理器内核、处理器型号、编译环境以及对应处理器可运行的操作系统。

参考资料

《CM3权威指南CnR2》

《Infineon-TLE987x-UserManual-v01_60-EN》