Cortex-M3处理器异常处理机制详解
Cortex-M3处理器异常处理机制详解
Cortex-M3处理器的异常处理机制是嵌入式系统开发中的核心技术之一。本文将深入探讨Cortex-M3的异常类型、优先级管理、向量表结构以及各种故障处理机制，帮助开发者更好地理解和应用这一处理器架构。
异常和中断
异常和中断是一个重要的过程：当CPU内部或外部出现需要处理的事件（中断源）时，会暂停当前正在执行的程序（断点），转去执行中断服务程序，处理完成后返回断点继续执行。其基本流程如下：
虽然异常和中断的处理过程相似，但通常将CPU内部产生的中断称为异常，外部控制器产生的中断称为中断。本文将统一使用"异常"这一术语。
异常类型
Cortex-M3内核支持多种系统异常和外部中断。编号1-15对应系统异常，大于等于16的则为外部中断。除了少数异常的优先级固定外，其他异常的优先级都是可编程的。
Cortex-M3内核通过NVIC（嵌套向量中断控制器）来管理中断，其中VECTACTIVE位段和IPSR寄存器记录了当前正在处理的异常编号。
优先级定义
在Cortex-M3中，优先级对于异常处理至关重要。优先级数值越小，优先级越高。系统预设了三个高优先级异常：复位、NMI（不可屏蔽中断）和硬故障，它们的优先级固定且高于其他所有异常。
Cortex-M3支持最多256级优先级，但实际应用中通常会精简设计，支持8级、16级或32级优先级。优先级被分为抢占优先级和亚优先级两部分，通过应用程序中断及复位控制寄存器（AIRCR）中的优先级组位段进行配置。
例如，如果使用3位来表达优先级，则可用的8个优先级为：0x00（最高）、0x20、0x40、0x60、0x80、0xA0、0xC0和0xE0。
向量表
当发生异常时，Cortex-M3需要定位其处理例程的入口地址。这些入口地址存储在所谓的"异常向量表"中。缺省情况下，向量表位于零地址处，每个表项占用4字节。
为了支持动态重分发中断，Cortex-M3允许向量表重定位。向量表的起始地址必须满足特定的对齐要求，例如，如果有32个中断，则共有32+16（系统异常）=48个向量，向上增大到2的整次幂后值为64，因此地址必须能被64*4=256整除。
如果需要动态更改向量表，起始处必须包含以下向量：
- 主堆栈指针（MSP）的初始值
- 复位向量
- NMI
- 硬故障服务例程
中断输入及悬起行为
当中断输入脚被激活后，该中断就被标记为悬起状态。即使后来中断源取消了中断请求，已经被标记的中断也会被记录下来，直到其优先级最高时得到响应。
如果在某个中断得到响应之前，其悬起状态被清除了（例如，在PRIMASK或FAULTMASK置位的时候软件清除了悬起状态标志），则中断被取消。中断服务例程也可以在执行过程中把自己对应的中断重新悬起，但需要注意避免进入"死循环"。
如果中断源持续保持请求信号，该中断会在其上次服务例程返回后再次被置为悬起状态。如果在服务例程执行时，中断请求释放了，但是在服务例程返回前又重新被置为有效，CM3会记住此动作，重新悬起该中断。
Fault类异常
Cortex-M3中的Faults可分为以下几类：
- 总线Faults
- 存储器管理Faults
- 用法Faults
- 硬Fault
总线Faults
当AHB接口上正在传送数据时，如果回复了一个错误信号，会产生总线Faults。这可能发生在取指（称为"预取流产"）或数据读/写（称为"数据流产"）时。在CM3中，中断处理起始阶段的堆栈PUSH动作和中断处理收尾阶段的堆栈POP动作也可能触发总线异常。
当总线Faults发生时，只要没有同级或更高优先级的异常正在服务，且FAULTMASK=0，就会执行总线Fault的服务例程。如果在检测到总线Fault时还检测到了更高优先级的异常，则先处理后者，而总线Fault则被标记成悬起。
存储器管理Faults
存储器管理Faults多与MPU（内存保护单元）有关，其诱因常常是某次访问触犯了MPU设置的保护策略。MemManage Fault的常见诱因包括：
- 访问了MPU设置区域覆盖范围之外的地址
- 往只读区域写数据
- 用户级下访问了只允许在特权级下访问的地址
MemManage Fault在NVIC"系统Handler控制及状态寄存器"中的使能位是MEMFAULTENA。为了调查MemManage Fault的案发现场，NVIC中有一个"存储器管理Fault状态寄存器（MFSR）"。
用法Faults
用法Faults可能发生在以下场合：
- 执行了未定义的指令
- 执行了协处理器指令（Cortex-M3不支持协处理器）
- 尝试进入ARM状态
- 无效的中断返回
- 使用多重加载/存储指令时地址未对齐
用法Fault在NVIC"系统Handler控制及状态寄存器"中的使能位是USGFAULTENA。为了调查用法Fault的案发现场，NVIC中有一个"用法Fault状态寄存器（UFSR）"。
硬Fault
硬Fault是总线Fault、存储器管理Fault以及用法Fault上访的结果。如果这些Fault的服务例程无法执行，它们就会成为"硬伤"——上访成硬Fault。另外，在取向量时产生的总线Fault也按硬Fault处理。
在NVIC中有一个硬Fault状态寄存器（HFSR），它指出产生硬Fault的原因。
SVC和PendSV
SVC（系统服务调用）和PendSV（可悬起系统调用）多用于操作系统之上的软件开发中。
SVC用于产生系统函数的调用请求。例如，操作系统不让用户程序直接访问硬件，而是通过提供一些系统服务函数，用户程序使用SVC发出对系统服务函数的呼叫请求，以这种方法调用它们来间接访问硬件。
SVC异常通过执行"SVC"指令来产生。该指令需要一个立即数，充当系统调用代号。例如：
SVC 0x3 ; 调用3号系统服务
PendSV（可悬起的系统调用）可以像普通的中断一样被悬起。OS可以利用它"缓期执行"一个异常——直到其它重要的任务完成后才执行动作。PendSV的典型使用场合是在上下文切换时（在不同任务之间切换）。
例如，一个系统中有两个就绪的任务，上下文切换被触发的场合可以是：
- 执行一个系统调用
- 系统滴答定时器（SYSTICK）中断
通过PendSV，可以完美解决在中断活跃时的上下文切换问题。PendSV会被编程为最低优先级的异常，如果OS检测到某IRQ正在活动并且被SysTick抢占，它将悬起一个PendSV异常，以便缓期执行上下文切换。