Cortex-M 內核中斷/異常系統(tǒng)、中斷優(yōu)先級/嵌套 詳解

問題

最近在使用 STM32F3 芯片的時候，遇到這樣一個問題：如果外部中斷來的頻率足夠快，上一個中斷沒有處理完成，新來的中斷如何處理？ 在調試時，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，這里不針對與具體用的 STM32 MCU，直接上升到 Cortex-M 內核來了解一下！

簡介

中斷（也稱為“異常”）是微控制器一個很常見的特性。中斷一般是由硬件（例如外設、外部引腳）產(chǎn)生，當中斷產(chǎn)生以后 CPU 就會中斷當前的程序執(zhí)行流程轉而去處理中斷服務中指定的操作。

所有的 Cortex-M 內核都會包含一個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的事件（例如 SVC 指令），通常稱為異常（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 IRQ(中斷請求)、1 個不可屏蔽中斷(NMI)、1 個 Systick(滴答定時器)定時器中斷和多個系統(tǒng)異常。而 Cortex-M0 最多支持 32 個 IRQ、1 個不可屏蔽中斷(NMI)、1 個 Systick(滴答定時器)定時器中斷和多個系統(tǒng)異常。

• IRQ： 多數(shù)由定時器、IO 端口、通信接口等外設產(chǎn)生

• NMI： 通常由看門狗定時器或者掉電檢測器等外設產(chǎn)生

• 其他： 主要來自系統(tǒng)內核

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 應用設計的，沒有獨立 MCU。

異常類型

Cortex-M 處理器的異常中，編號 1~15 的為系統(tǒng)異常，16 及以上的則為中斷輸入。所有中斷級別的異常都具有可編程的優(yōu)先級。部分系統(tǒng)異常具有固定優(yōu)先級。ARM 給出了以下一張表：

針對 Cortex-M 系列的內核，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。在 CMSIS-Core 中，中斷標識有中斷枚舉實現(xiàn)，從數(shù)值 0 開始（代表中斷 #0）。其中，系統(tǒng)異常的編號為負數(shù)。具體如下：

CMSIS-Core 之所以使用另外一種編號系統(tǒng)，是因為這樣可以稍微提高部分 API 的效率。中斷的編號和枚舉定義是同設備相關的，他們位于微控制器供應商提供的頭文件中，在一個名為 IRQn 的 typedef 段中。

中斷處理（異常處理）

當某種內部或外部事件發(fā)生時，MCU 的中斷系統(tǒng)將迫使 CPU 暫停正在執(zhí)行的程序，轉而去進行中斷事件的處理，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，當遇到中斷請求（Interrupt Request）時，暫停主程序的執(zhí)行轉而去執(zhí)行中斷服務例程（Interrupt Service Routine，ISR），稱為響應，中斷服務例程執(zhí)行完畢后返回到主程序斷點處并繼續(xù)執(zhí)行主程序。多個中斷是可以進行嵌套的。正在執(zhí)行的較低優(yōu)先級中斷可以被較高優(yōu)先級的中斷所打斷，在執(zhí)行完高級中斷后返回到低級中斷里繼續(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。實際上，SCB 是作為 NVIC 的一部分來實現(xiàn)的，不過在 CMSIS-Core 中，將其定義在了獨立的結構體中。除此之外，處理器內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 定時器，存儲器保護單元等。

優(yōu)先級

這部分暫且不說！

中斷輸入和掛起

在 Cortex-M 內核中，每個中斷都具有多個屬性：

• 每個中斷都可以被禁止（默認）或者使能

• 每個中斷都可以別掛起或者解除掛起

• 每個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，可以將其禁止，若在中斷退出前產(chǎn)生了同一個中斷的新請求，由于該活躍中斷被禁止了，那就會處于掛起狀態(tài)。

NVIC 在設計上既支持產(chǎn)生 脈沖中斷請求 的外設，也支持產(chǎn)生 高電平中斷請求 的外設。無需配置任何一個 NVIC 寄存器以選擇其中一種中斷類型。對于脈沖中斷請求，脈沖寬度至少要為一個時鐘周期；而對于電平觸發(fā)的請求，在 ISR 中的操作清除請求之前，請求服務的外設要一直保持電平信號（如寫入寄存器以清除中斷請求） 。盡管外部中斷請求在 I/O 引腳上的電平可能是低電平有效，但是 NVIC 收到的請求信號為高有效！

中斷的掛起狀態(tài)被存儲在 NVIC 的可編程寄存器中，當 NVIC 的中斷輸入被確認后，它就會引發(fā)該中斷的掛狀態(tài)。即便中斷請求被取消，掛起狀態(tài)仍會為高。這樣，NVIC 就可以處理脈沖中斷請求了。

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就會進行處理。不過，若處理器已經(jīng)在處理另外一個更高或同優(yōu)先級的中斷，或者中斷被某個中斷屏蔽寄存器給屏蔽掉了，那么在其他的中斷處理結束前或者中斷屏蔽被清除前，掛起請求會一直保持。

在傳統(tǒng) ARM 處理器中，如果外設產(chǎn)生了中斷，那么它們得到處理前必須一直保持中斷請求信號。

當中斷開始處理中斷請求時，中斷的請求信號會被自動清除。當中斷正在被處理時，它就會處于活躍狀態(tài)。

當中斷處于活躍狀態(tài)時，處理器無法再中斷完成和異常返回前再次處理同一個中斷請求。

中斷的掛起狀態(tài)位于中斷掛起狀態(tài)寄存器中，軟件可以復位這些寄存器。因此，可以手動清除或者設置中斷的掛起狀態(tài)。若中斷請求產(chǎn)生時處理器正在處理另一個具有更高優(yōu)先級的中斷，而在處理器對該中斷請求做出響應之前，掛起狀態(tài)被清除掉了，則該中斷會被取消且不會再得到處理。

若持續(xù)保持某個中斷請求，那么及時軟件嘗試清除該掛起狀態(tài)，掛起狀態(tài)還是會再次被置位的。

若中斷已經(jīng)得到了處理，中斷源仍然在繼續(xù)保持中斷請求，那么這個中斷就會再一次進入掛起狀態(tài)且再次得到處理

對于脈沖中斷請求，若在處理器開始處理前，中斷請求信號產(chǎn)生了多次，他們會被當做一次中斷請求處理

中斷掛起狀態(tài)可以在其正在被處理時再次置位。之前的中斷請求正在被處理時產(chǎn)生了新的請求，這樣機會引發(fā)新的掛起狀態(tài)。處理器在前一個 ISR 結束后需要再次處理這個中斷。

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 中斷前手動清除掛起狀態(tài)。

總結

NVIC 中對于每個中斷需要設置 搶占優(yōu)先級 和 響應優(yōu)先級(又稱子優(yōu)先級)。多個中斷會先比較 搶占優(yōu)先級，搶占優(yōu)先級相同的比較響應優(yōu)先級。高搶占優(yōu)先級能夠打斷低搶占優(yōu)先級的，但是相同搶占優(yōu)先級的高響應優(yōu)先級不能打斷低響應優(yōu)先級。

1. 高優(yōu)先級的搶占優(yōu)先級是可以打斷正在進行的低搶占優(yōu)先級中斷的。

2. 搶占優(yōu)先級相同的中斷，高響應優(yōu)先級不可以打斷低響應優(yōu)先級的中斷。

3. 搶占優(yōu)先級相同的中斷，當兩個中斷同時發(fā)生的情況下，哪個響應優(yōu)先級高，哪個先執(zhí)行。

4. 如果兩個中斷的搶占優(yōu)先級和響應優(yōu)先級都是一樣的話，則看哪個中斷先發(fā)生就先執(zhí)行。

參考

1. The Definitive Guide to ARM Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors, 3rd Edition

2. The De?nitive Guide to the Cortex-M0

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