- Cortex-M3內(nèi)核的異常處理機制及其新技術(shù)研究

　　3.1 處理器響應(yīng)單個異常

CortexM3和ARM7異常處理過程如圖5所示。

圖5 CortexM3和ARM7異常處理過程

ARM7處理器的異常開銷：

CortexM3處理器的異常開銷：

其中，TARM7為ARM7處理異常的時間開銷；TARM7_PUSH和TARM7_POP為ARM7進行壓棧和出棧的操作時間；TCoretxM3為CortexM3處理異常的時間開銷；TM3_PUSH和TM3_POP為CortexM3進行壓棧和出棧的操作時間。

可見，由于采用處理器狀態(tài)硬件保存，CortexM3處理器少用了18周期，節(jié)省了42.8%的異常開銷。

3.2 處理器響應(yīng)遲到異常

CortexM3和ARM7在處理遲到高優(yōu)先級異常時的差異如圖6所示。

當(dāng)IRQ2正在為執(zhí)行ISR2保存處理器狀態(tài)時，遲到了一個優(yōu)先級更高的異常IRQ1.這時ARM7繼續(xù)進行壓棧操作。在壓棧操作完成后，ARM7繼續(xù)為執(zhí)行ISR1進行壓棧操作，然后執(zhí)行ISR1.其實，兩次壓棧操作所保存的內(nèi)容是一樣的。因此，CortexM3對這個階段的操作進行了優(yōu)化，引進了遲到異常技術(shù)，只進行一次的壓棧操作。并且在ISR1執(zhí)行完成之后，CortexM3沒有進行出棧操作，而是通過一個6周期的尾鏈，直接進入ISR2的執(zhí)行。

圖6 NVIC對遲到的具有更高優(yōu)先級異常的響應(yīng)

在上面的例子中，ARM7處理器的異常開銷：

CortexM3處理器的異常開銷：

其中，TARM7_later和TM3_later分別為ARM7和CortexM3處理遲到異常所用的時間開銷；Ttailchaining為CortexM3處理尾鏈所用的時間。

通過計算可以看出，CortexM3少用了44周期，節(jié)省65%的異常開銷。

3.3 處理器處理backtoback異常

若一個新的異常在上一個異常寄存器出棧時到來，ARM7和CortexM3的處理方式也有很大不同。CortexM3和ARM7在處理 backtoback異常時的差異如圖7所示。ARM7繼續(xù)當(dāng)前的出棧操作，在出棧操作完成后，處理器為執(zhí)行ISR2進行壓棧操作，然后執(zhí)行 ISR2.其實，這時候處理器出棧和壓棧的內(nèi)容是一致的。CortexM3同樣優(yōu)化了這個階段的操作，引進了尾鏈機制。當(dāng)IRQ2到來時，CortexM3立即中止已經(jīng)進行了8個周期的出棧操作，轉(zhuǎn)而進行尾鏈操作，然后執(zhí)行ISR2.

圖7 NVIC搶占出棧

在處理backtoback異常時，ARM7處理器用在ISR1到ISR2轉(zhuǎn)換的異常開銷：

CortexM3處理器用在ISR1到ISR2轉(zhuǎn)換的異常開銷：

其中，TARM_btb和TM3_btb分別為ARM7和CortexM3處理backtoback異常轉(zhuǎn)換所用的時間開銷；Tcancel為發(fā)生尾鏈時CortexM3已用于狀態(tài)恢復(fù)的時間。

通過計算可以看出，CortexM3少用了28周期。其實，CortexM3處理器用在ISR1到ISR2轉(zhuǎn)換的異常開銷最低可以優(yōu)化到只用6個周期， 這樣就極大地提高了backtoback異常的響應(yīng)能力。

　　結(jié)語

本文闡述了CortexM3處理器的異常處理機制。通過和ARM7進行比較，量化分析了CortexM3在異常處理方面的優(yōu)勢，對工程師使用CortexM3的異常處理會有一定參考和幫助。

 

 

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