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STM32及ARM中断详解

· 8 min

ARM体系的中断和异常#

当一个中断或者异常触发时，先看到这个中断源有没有被启动，以及它的优先级如何，然后进入中断向量表，如果允许进行中断或者异常的处理，就会根据中断向量表进入中断服务程序。

在中断服务程序中进行关中断、保存现场、开中断、处理中断和异常、关中断、恢复现场、开中断

在ARM体系中和异常统一由中断向量表管理。

中断向量表#

中断向量表有低端和高端向量表两种，低端向量表就是从0x00000000开始，高端向量表处在0xFFFF0000位置。

下图中的中断向量表基本对应着ArmV7-A架构，而CortexM架构都可以使用自定义的中断向量表，不用遵循下表。如果是更新的Arm指令集版本，和下表也有较大区别

中断向量表和ResetHandler#

ARM中断向量表的位置默认为0x00000000，中断向量表如下。

_start:
    ldr pc, =Reset_Handler          /* 复位中断 */
    ldr pc, =Undefined_Handler      /* 未定义指令中断 */
    ldr pc, =SVC_Handler            /* SVC(Supervisor)中断*/
    ldr pc, =PrefAbort_Handler      /* 预取终止中断 */
    ldr pc, =DataAbort_Handler      /* 数据终止中断 */
    ldr pc, =NotUsed_Handler        /* 保留中断 */
    ldr pc, =IRQ_Handler            /* IRQ 中断 */
    ldr pc, =FIQ_Handler            /* FIQ(快速中断) */

当机器上电启动时会从这个代码开始，先进入ResetHandler进行系统的初始化。当进入中断时，会从中断向量表的起始地址（也就是上面_start）开始，根据中断的类型进行偏移，例如如果偏移量为0x08则会执行SVC中断的语句，pc寄存器直接被装入中断向量的地址，跳转到对应的中断处理。

如果要防止中断嵌套，需要在中断服务程序中加入屏蔽中断的代码。

ResetHandler中是机器上电启动后或者复位后进行初始化的代码，初始化后会进入_main函数最后才进入main函数。

可以手动设置中断向量表的地址，一般的做法是在ResetHandler中设置。

STM32（Cortex-M）的中断服务程序#

对Cortex-M系列来说，并不遵循arm所规定的普通的中断向量表。

__Vectors       DCD     __initial_sp              ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler             ; Reset Handler
                DCD     NMI_Handler               ; NMI Handler
                DCD     HardFault_Handler         ; Hard Fault Handler
                DCD     MemManage_Handler         ; MPU Fault Handler
                DCD     BusFault_Handler          ; Bus Fault Handler
                DCD     UsageFault_Handler        ; Usage Fault Handler

可以看到，中断向量表的第一行规定着栈初始化的地址，也就是说开机后会先初始化栈，然后才进行ResetHandler。

中断和异常触发流程(Cortex-M)#

1. 保存现场#

不管是触发中断还是异常，硬件都会自动保存R0到R3、R12、LR、xPSR寄存器。

剩下的寄存器将在中断服务程序中进行保存。

根据ATPCS标准，被调用的函数如果要是用R4到R11寄存器，则需要在被调用函数的内部进行压栈。

2. 根据中断号进入中断#

寻找中断向量表，再根据中断号，在中断向量表中进行偏移。

3. 恢复现场。。。。#

NVIC中断优先级#

不同系列的芯片有不同位数的中断优先级，这个中断优先级一般是在BASEPRI寄存器的最高几位。比如CortexM系列的CPU，中断优先级位数有4位，就是BASEPRI寄存器的高四位。

优先级数字越小，中断越优先。

中断优先级又被NVIC分成抢占优先级和响应优先级，可以配置对应的优先级分组。比如4位优先级里面，有两位是抢占优先级，有两位是响应优先级。我们发现如果中断优先级的设置只有4位的话，也就是只有16个不同的优先级，注定了一些中断必须要在同一个优先级中。对抢占优先级和响应优先级的处理是NVIC负责的，抢占优先级更高的可以中断嵌套其他更低的中断，而相同的抢占优先级的任务里，顺序执行响应优先级更高的。而对于整个优先级都完全一样的中断，则会通过自然优先级，也就是在中断向量表中的位置来判断。越靠前的自然优先级就越高。

本身抢占优先级和响应优先级这两个东西配合在一起，才是BASEPRI看到的真正的任务优先级，但是NVIC把他们拆成了两部分来使用。对BASEPRI寄存器来说，对优先级进行屏蔽，不在乎抢占还是响应，会直接屏蔽掉比寄存器的数值更大的那些中断。

NVIC可以管理的是中断，一般来源于外设或者内核异常。而有一些异常，比如HardFault或者NMI，他们在中断向量表的最前面，但是不通过NVIC进行中断的管理，并且其优先级也不能够被配置。他们的优先级默认被配置为最高，任何情况下发生这几个异常都是最先进行处理。而在这之后的MemManage和BusFault等等异常，包括操作系统常用到的SysTick和PenSV都是NVIC管理的内核异常。再往后，就是NVIC管理的外设的中断。

在操作系统中，一般使用到的中断就是SysTick和PendSV。SysTick用于提供操作系统时钟，并且在合适的时候进行唤起任务的切换。PendSV则用于进行任务的切换。PendSV的可配置优先级一般为最低，然后SysTick为其次。