Cortex—M3的異常處理機制研究
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Cortex—M3是ARM公司第一款基于ARMv7一M的微控制器內(nèi)核，在指令執(zhí)行、異常控制、時鐘管理、跟蹤調(diào)試和存儲保護等方面相對于ARM7有很大的區(qū)別。尤其在異常處理機制方面有很大的改進，其異常響應只需要12個時鐘周期。NVIC(Nested Vectored Inteirupt Contmller，嵌套向量中斷控制器)是Cortex—M3處理器的一個緊耦合部件，可以配置1～240個帶有256個優(yōu)先級、8級搶占優(yōu)先權(quán)的物理中斷，為處理器提供出色的異常處理能力。同時，搶占(pre-emption)、尾鏈(tail—chaining)、遲到(1ate—arriving)技術(shù)的使用，大大縮短了異常事件的響應時間。
異常或者中斷是處理器響應系統(tǒng)中突發(fā)事件的一種機制。當異常發(fā)生時，Cortex—M3通過硬件自動將編程計數(shù)器(PC)、編程狀態(tài)寄存器(XPSR)、鏈接寄存器(LR)和R0～R3、R12等寄存器壓進堆棧。在Dbus(數(shù)據(jù)總線)保存處理器狀態(tài)的同時，處理器通過Ibus(指令總線)從一個可以重新定位的向量表中識別出異常向量，并獲取ISR函數(shù)的地址，也就是保護現(xiàn)場與取異常向量是并行處理的。一旦壓棧和取指令完成，中斷服務程序或故障處理程序就開始執(zhí)行。執(zhí)行完ISR，硬件進行出棧操作，中斷前的程序恢復正常執(zhí)行。圖1為Cortex—M3處理器的異常處理流程。
1 Cortex—M3異常類型
同ARM7相比，Cortex—M3在異常的分類和優(yōu)先級上有很大的差異，如表1所列。
Cortex—M3將異常分為復位、不可屏蔽中斷、硬故障、存儲管理、總線故障和應用故障、SVcall、調(diào)試監(jiān)視異常、PendSV、SysTick以及外部中斷等。Cortex—M3采用向量表來確定異常的入口地址。與大多數(shù)其他ARM內(nèi)核不同，Cortex—M3向量表中包含異常處理程序和ISR的地址，而不是指令。復位處理程序的初始堆棧指針和地址必須分別位于0xO和Ox4。這些值在隨后的復位中被加載到適當?shù)?SPAN onmouseover="javascript:setVal('CPU'); companyAdEvent.show(this,'companyAdDiv',[5,18])" onmouseout="companyAdEvent.out('companyAdDiv')">CPU寄存器中。向量表偏移控制寄存器將向量表定位在CODE(Flash)或SRAM中。復位時，默認情況下為CODE模式，但可以重新定位。異常被接受后，處理器通過Ibus查表獲取地址，執(zhí)行異常處理程序。
在Cortex—M3的優(yōu)先級分配中，較低的優(yōu)先級值具有較高的優(yōu)先級。NVIC將異常的優(yōu)先級分成兩部分：搶占優(yōu)先級(pre—emption priority)部分和子優(yōu)先級(sub—priority)部分，可以通過中斷申請／復位控制寄存器來確定兩個部分所占的比例。搶占優(yōu)先級和子優(yōu)先級共同作用確定了異常的優(yōu)先級。搶占優(yōu)先級用于決定是否發(fā)生搶占，一個異常只有在搶占優(yōu)先級高于另一個異常的搶占優(yōu)先級時才能發(fā)生搶占。當多個掛起異常具有相同的搶占優(yōu)先級時，子優(yōu)先級起作用。通過NVIC設(shè)置的優(yōu)先級權(quán)限高于硬件默認優(yōu)先級。當有多個異常具有相同的優(yōu)先級時，則比較異常號的大小，異常號小的被優(yōu)先激活。
2 Cortex—M3異常處理
2．1 異常的進入
當一個異常出現(xiàn)以后，Cortex一M3處理器由硬件通過Dbus保存處理器狀態(tài)，同時通過Ibus讀取向量表中的SP，更新PC和LR，執(zhí)行中斷服務子程序。
為了應對堆棧操作階段到來后的更高優(yōu)先級異常，Cortex—M3支持遲到和搶占機制，以便對各種可能事件做出確定性的響應。
搶占是一種對更高優(yōu)先級異常的響應機制。Cortex—M3異常搶占的處理過程如圖2所示。當新的更高優(yōu)先級異常到來時，處理器打斷當前的流程，執(zhí)行更高優(yōu)先級的異常操作，這樣就發(fā)生了異常嵌套。遲到是處理器用來加速搶占的一種機制。如果一個具有更高優(yōu)先級的異常在上一個異常執(zhí)行壓棧期間到達，則處理器保存狀態(tài)的操作繼續(xù)執(zhí)行，因為被保存的狀態(tài)對于兩個異常都是一樣的。但是，NVIC馬上獲取的是更高優(yōu)先級的異常向量地址。這樣在處理器狀態(tài)保存完成后，開始執(zhí)行高優(yōu)先級異常的ISR。
2．2 異常的返回
Cortex-M3異常返回的操作如圖3所示。當從異常中返回時，處理器可能會處于以下情況之一：
◆尾鏈到一個已掛起的異常，該異常比棧中所有異常的優(yōu)先級都高；
◆如果沒有掛起的異常，或是棧中最高優(yōu)先級的異常比掛起的最高優(yōu)先級異常具有更高的優(yōu)先級，則返回到最近一個已壓棧的ISR；
◆如果沒有異常已經(jīng)掛起或位于棧中，則返回到Tread模式。
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