ARM 之六 Cortex-M 内核中断/异常系统、中断优先级/嵌套 详解
問題
最近在使用STM32F3芯片的時(shí)候，遇到這樣一個(gè)問題：如果外部中斷來的頻率足夠快，上一個(gè)中斷沒有處理完成，新來的中斷如何處理？ 在調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)有中斷有 掛起、激活、失能等狀態(tài)，考慮這些狀態(tài)都是干啥用的呢！他們是Cortex-M核所共有的，因此這里不針對(duì)與具體用的STM32 MCU，直接上升到 Cortex-M內(nèi)核來了解一下！
簡(jiǎn)介
??中斷（也稱為“異常”）是微控制器一個(gè)很常見的特性。中斷一般是由硬件（例如外設(shè)、外部引腳）產(chǎn)生，當(dāng)中斷產(chǎn)生以后 CPU 就會(huì)中斷當(dāng)前的程序執(zhí)行流程轉(zhuǎn)而去處理中斷服務(wù)中指定的操作。
??所有的Cortex-M 內(nèi)核都會(huì)系統(tǒng)一個(gè)用于中斷處理的組件：NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中斷控制器）。它處理處理中斷，還處理其他需要服務(wù)的事件（例如 SVC 指令），通常稱為“異?！?。 ? 按照 ARM 的說法，中斷也是一種異常。
Cortex-M3和 Cotex-M4 的 NVIC 最多支持 240 個(gè) IRQ(中斷請(qǐng)求)、1 個(gè)不可屏蔽中斷(NMI)、1 個(gè) Systick(滴答定時(shí)器)定時(shí)器中斷和多個(gè)系統(tǒng)異常。而 Cortex-M0 最多支持32個(gè)IRQ、1 個(gè)不可屏蔽中斷(NMI)、1 個(gè) Systick(滴答定時(shí)器)定時(shí)器中斷和多個(gè)系統(tǒng)異常。
- IRQ： 多數(shù)由定時(shí)器、IO端口、通信接口等外設(shè)產(chǎn)生
- NMI： 通常由看門狗定時(shí)器或者掉電檢測(cè)器等外設(shè)產(chǎn)生
- 其他： 主要來自系統(tǒng)內(nèi)核
注意，本文所說的 Cortex-M 主要指定是 Cotex-M3和 Cotex-M4。
Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1 基于 ARMv6-M。與Cotex-M3和 Cotex-M4相比，他們的指令集較小。而且，Cortex-M1 是專門為FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)的，沒有獨(dú)立MCU。
異常類型
??Cortex-M 處理器的異常中，編號(hào) 1~15 的為系統(tǒng)異常，16及以上的則為中斷輸入。所有終端機(jī)部分系統(tǒng)異常都具有可編程的優(yōu)先級(jí)。部分系統(tǒng)異常具有固定優(yōu)先級(jí)。ARM給出了以下一張表：
| － | 0 | － | 在復(fù)位時(shí)棧頂從向量表的第一個(gè)入口加載 |
| Reset 復(fù)位 | 1 | －3（最高） | 在上電和熱復(fù)位（warm reset）時(shí)調(diào)用，在第一條指令上優(yōu)先級(jí)降到最低（線程模式），異步的 |
| Non-maskable Interrupt 不可屏蔽中斷（NMI） | 2 | －2 | 不能被除復(fù)位之外的任何異常停止或占先。異步的。 |
| Hard Fault 硬故障 | 3 | －1 | 由于優(yōu)先級(jí)的原因或可配置的故障處理被禁止而導(dǎo)致不能將故障激活時(shí)的所有類型故障，同步的 |
| Memory Management 存儲(chǔ)器管理 | 4 | 可配置 | MPU 不匹配，包括違反訪問規(guī)范以及不匹配，是同步的，即使MPU 被禁止或不存在，也可以用它來支持默認(rèn)的存儲(chǔ)器映射的XN 區(qū)域 |
| Bus Fault 總線故障 | 5 | 可配置 | 預(yù)取指故障，存儲(chǔ)器故障，以及其它相關(guān)的地址/存儲(chǔ)故障，精確時(shí)是同步，不精確時(shí)時(shí)異步 |
| Usage Fault 使用故障 | 6 | 可配置 | 使用故障，例如，執(zhí)行未定義的指令或嘗試不合法的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，是同步的 |
| － | 7～10 | － | 保留 |
| SVCall 系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用 | 11 | 可配置 | 利用SVC 指令調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)，是同步的 |
| Debug Monitor 調(diào)試監(jiān)控 | 12 | 可配置 | 調(diào)試監(jiān)控，在處理器沒有停止時(shí)出現(xiàn)，是同步的，但只有在使能時(shí)是有效的，如果它的優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前有效的異常的優(yōu)先級(jí)低，則不能被激活 |
| － | 13 | － | 保留 |
| PendSV 可掛起的系統(tǒng)服務(wù)請(qǐng)求 | 14 | 可配置 | 可掛起的系統(tǒng)服務(wù)請(qǐng)求，是異步的，只能由軟件來實(shí)現(xiàn)掛起 |
| SysTick 系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器 | 15 | 可配置 | 系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器（System tick timer）已啟動(dòng)，是異步的 |
| External Interrupt 外部中斷 | 16 及以上 | 可配置 | 在內(nèi)核的外部產(chǎn)生（外部設(shè)備），INTISR[239:0]，通過NVIC（設(shè)置優(yōu)先級(jí)）輸入，都是異步的 |
??針對(duì) Cortex-M 系列的內(nèi)核，ARM 提供了一套叫做 CMSIS 的東西。目前，所有的MCU均使用CMSIS 作為編程基礎(chǔ)。在 CMSIS-Core 中，中斷標(biāo)識(shí)有中斷枚舉實(shí)現(xiàn)，從數(shù)值 0 開始（代表中斷#0）。其中，系統(tǒng)異常的編號(hào)為負(fù)數(shù)。具體如下：
CMSIS-Core之所以使用另外一種編號(hào)系統(tǒng)，是因?yàn)檫@樣可以稍微提高部分API的效率。中斷的編號(hào)和枚舉定義是同設(shè)備相關(guān)的，他們位于微控制器供應(yīng)商提供的頭文件中，在一個(gè)名為IRQn的typedef段中。
中斷處理（異常處理）
??當(dāng)某種內(nèi)部或外部事件發(fā)生時(shí)，MCU 的中斷系統(tǒng)將迫使 CPU 暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去進(jìn)行中斷事件的處理，中斷處理完畢后，又返回被中斷的程序處，繼續(xù)執(zhí)行下去。
??主程序正在執(zhí)行，當(dāng)遇到中斷請(qǐng)求（Interrupt Request）時(shí)，暫停主程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)例程（Interrupt Service Routine，ISR），稱為響應(yīng)，中斷服務(wù)例程執(zhí)行完畢后返回到主程序斷點(diǎn)處并繼續(xù)執(zhí)行主程序。多個(gè)中斷是可以進(jìn)行嵌套的。正在執(zhí)行的較低優(yōu)先級(jí)中斷可以被較高優(yōu)先級(jí)的中斷所打斷，在執(zhí)行完高級(jí)中斷后返回到低級(jí)中斷里繼續(xù)執(zhí)行。
中斷管理
??管理中斷所使用的大部分寄存器都位于NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中斷控制器）和SCB（System Control Block，系統(tǒng)控制塊）中。實(shí)際上，SCB是作為NVIC的一部分來實(shí)現(xiàn)的，不過在CMSIS-Core中，將其定義在了獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體中。除此之外，處理器內(nèi)核中還有用于中斷屏蔽寄存器：PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI。
NVIC和SCB位于系統(tǒng)控制空間，地址從0xE000E00開始，大小4KB。SCB中還有SysTick定時(shí)器，存儲(chǔ)器保護(hù)單元等。
優(yōu)先級(jí)
這部分暫且不說！
中斷輸入和掛起
在Cortex-M內(nèi)核中，每個(gè)中斷都具有多個(gè)屬性：
- 每個(gè)中斷都可以被禁止（默認(rèn)）或者使能
- 每個(gè)中斷都可以別掛起或者解除掛起
- 每個(gè)中斷都可以處于活躍或者非活躍
這些狀態(tài)屬性具有多種可能的組合。例如，在處理中斷時(shí)，可以將其禁止，若在中斷提出掐產(chǎn)生了同一個(gè)中斷的新請(qǐng)求，由于該活躍中斷被禁止了，那就會(huì)處于掛起狀態(tài)。
??NVIC在設(shè)計(jì)上既支持產(chǎn)生 脈沖中斷請(qǐng)求 的外設(shè)，也支持產(chǎn)生 高電平中斷請(qǐng)求 的外設(shè)。無需配置任何一個(gè) NVIC 寄存器以選擇其中一種中斷類型。對(duì)于脈沖中斷請(qǐng)求，脈沖寬度至少要為一個(gè)時(shí)鐘周期；而對(duì)于電平觸發(fā)的請(qǐng)求，在ISR中的操作清湖請(qǐng)求之前，請(qǐng)求服務(wù)的外設(shè)要一直保持電平信號(hào)（如寫入寄存器以清除中斷請(qǐng)求） 。盡管外部中斷請(qǐng)求在 I/O 引腳上的電平可能是低電平有效，但是 NVIC 收到的額請(qǐng)求信號(hào)為高有效！
??中斷的掛起狀態(tài)被存儲(chǔ)在 NVIC 的可編程寄存器中，當(dāng) NVIC 的中斷輸入被確認(rèn)后，它就會(huì)引發(fā)該中斷的掛狀態(tài)。即便中斷請(qǐng)求被取消，掛起狀態(tài)仍會(huì)為高。這樣，NVIC 就可以處理脈沖中斷請(qǐng)求了。
??掛起狀態(tài)的意思是，中斷被置于一種等待處理器處理的狀態(tài)。有些情況下，處理器在中斷掛起時(shí)就會(huì)進(jìn)行處理。不過，若處理器已經(jīng)在處理另外一個(gè)更高或同優(yōu)先級(jí)的中斷，或者中斷被某個(gè)中斷屏蔽寄存器給屏蔽掉了，那么在其他的中觀處理結(jié)束前或者中斷屏蔽被清除前，掛起請(qǐng)求會(huì)一直保持。
??當(dāng)中斷開始處理中斷請(qǐng)求時(shí)，中斷的請(qǐng)求信號(hào)會(huì)被自動(dòng)清除。當(dāng)中斷正在被處理時(shí)，它就會(huì)處于活躍狀態(tài)。
當(dāng)中斷處于活躍狀態(tài)時(shí)，處理器無法再中斷完成和異常返回前再次處理同一個(gè)中斷請(qǐng)求。
??中斷的掛起狀態(tài)位于中斷掛起狀態(tài)寄存器中，軟件可以方位這些寄存器。因此，可以手動(dòng)清除或者設(shè)置中斷的掛起狀態(tài)。若中斷請(qǐng)求產(chǎn)生時(shí)處理器正在處理另一個(gè)具有更高優(yōu)先級(jí)的中斷，而在處理器對(duì)該中斷請(qǐng)求做出響應(yīng)之前，掛起狀態(tài)被清除掉了，則該中斷會(huì)被取消且不會(huì)再得到處理。
若持續(xù)保持某個(gè)中斷請(qǐng)求，那么及時(shí)軟件嘗試清除該掛起狀態(tài)，掛起狀態(tài)還是會(huì)再次被置位的。
若中斷已經(jīng)得到了處理，中斷源仍然在繼續(xù)保持中斷請(qǐng)求，那么這個(gè)中斷就會(huì)再一次進(jìn)入掛起狀態(tài)且再次得到處理
對(duì)于脈沖中斷請(qǐng)求，若在處理器開始處理前，中斷請(qǐng)求信號(hào)產(chǎn)生了多次，他們會(huì)被當(dāng)做一次中斷請(qǐng)求處理
中斷掛起狀態(tài)可以在其正在被處理時(shí)再次置位。之前的中斷請(qǐng)求正在被處理時(shí)產(chǎn)生了新的請(qǐng)求，這樣機(jī)會(huì)引發(fā)新的掛起狀態(tài)。處理器在前一個(gè)ISR結(jié)束后需要再次處理這個(gè)中斷。
即使中斷被禁止了，他的掛起狀態(tài)仍然可置位。 這種情況下，若中斷稍后被使能了，它仍然可以被觸發(fā)并被得到處理。這種情況可能不是我們需要的，因此需要在使能NVIC中斷前手動(dòng)清除掛起狀態(tài)。
參考
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的ARM 之六 Cortex-M 内核中断/异常系统、中断优先级/嵌套 详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： Python 之 新手安装详解 、安装目
- 下一篇： STM32 之十 供电系统及内部参照电压