痞子衡嵌入式:嵌入式Cortex-M中斷向量錶對齊原則的深入研究

痞子衡 2021-09-19 21:42:52 阅读数:984

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大家好,我是痞子衡,是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是Cortex-M中斷向量錶對齊原則

今天這篇文章的內容主要來自於五年前做 Kinetis K32W 系列雙核啟動時的發現,最近正好有同事碰到了 ARM Cortex-M 中斷向量錶對齊問題,於是痞子衡想起了這事(感慨自己記性還挺好),翻出了五年前的郵件,將當時測試結果重新整理成文。

前段時間痞子衡剛寫了篇 《Cortex-M中斷向量錶原理及其重定向方法》,簡單介紹了中斷向量錶工作機制,今天咱們接著來聊聊這個中斷向量錶對齊的事:

一、Cortex-M中斷向量錶對齊原則

中斷向量錶就是一個集中保存系統全部中斷處理函數(xxxIRQHandler)地址的常量數組(函數地址要占 4 個字節,因此數組中每個元素大小為 4 字節),錶中元素編號如下:

1. 中斷向量錶第 0 - 1 個向量比較特殊,是程序初始 SP 和 PC 值
2. 中斷向量錶第 2 - 15 個向量是系統中斷,IRQ 編號為 -14 到 -1
3. 中斷向量錶第 16 個向量開始是廠商自定義外設中斷,IRQ 編號為 0 到 n
- 對於 Cortex-M0/0+/1, ARM 建議的 n 值最大為 15(實際一般廠商都會擴展)
- 對於 Cortex-M3/4/7/23, ARM 建議的 n 值最大為 239
- 對於 Cortex-M33/35P/55, ARM 建議的 n 值最大為 479

Cortex-M 內核(除了CM0)模塊 SCB 裏有個專門的 VTOR 寄存器用來控制中斷向量錶首地址,程序運行起來後用戶可以配置 SCB->VTOR 寄存器來重設中斷向量錶地址。

SCB->VTOR 寄存器低 7bit 是保留的(永遠0),所以中斷向量錶首地址一定要是 128 字節(0x80)對齊的,這個毫無疑問!但是僅僅 128 字節對齊就行了嗎?這個是要看情况的,如下 Cortex-M Generic User Guide 手册裏關於 VTOR 寄存器描述裏有這樣一段話(紅框內),這段話的意思是向量錶首地址需要按 0x80 向上對齊(還得是 2 的整數幂)以覆蓋項目中實際用到的數值最大中斷號(xxx_IRQn)。

  • Note: 比如項目中實際用到最大外設中斷為 IRQ20,則最小向量錶大小為(16 + 21)* 4 字節,那麼向量錶首地址需要至少以 0x100 對齊。

二、Cortex-M中斷向量錶不對齊的後果

如果中斷向量錶首地址沒有按規定對齊,會發生什麼後果呢?我們找一塊板卡來實測下,選擇的芯片是恩智浦 i.MXRT1011,這是顆 Cortex-M7 內核的 MCU,除了 16 個系統中斷外,還包含 80 個外設中斷,中斷向量錶裏一共 96 個有效中斷,見如下 startup_MIMXRT1011.s 文件中具體中斷響應函數定義:

因為 i.MXRT1011 裏一共 96 個中斷,按規定,中斷向量錶首地址至少要按 0x200 對齊。我們現在故意不按規定來設對齊,先選擇一個測試工程 \SDK_2.10.0_EVK-MIMXRT1010\boards\evkmimxrt1010\demo_apps\hello_world\iar(flexspi_nor_build),修改 hello_world.c 文件,加一個 relocate_vector_table() 函數,將中斷向量錶重定向到 NEW_VECTOR_ADDRESS:

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000080)
extern uint32_t __VECTOR_TABLE[];
void relocate_vector_table(void)
{
__disable_irq();
// 將 0x60002000 處的初始中斷向量錶拷貝到新地址 NEW_VECTOR_ADDRESS
memcpy((void *)NEW_VECTOR_ADDRESS, (void *)__VECTOR_TABLE, 0x180);
// 將 VTOR 指向 NEW_VECTOR_ADDRESS
SCB->VTOR = NEW_VECTOR_ADDRESS;
__enable_irq();
}
int main(void)
{
relocate_vector_table();
// 其餘代碼
}

萬事俱備,我們現在需要使能一些中斷來驗證,痞子衡分別選取了 SysTick、LPUART1、GPT2、WDOG2、TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 六個中斷,它們的使能代碼都可以從 SDK\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\ 裏找到,這裏不予贅述。

2.1 測試以 0x80 對齊的中斷向量錶

將 NEW_VECTOR_ADDRESS 設為 ITCM 偏移 0x80 處,則中斷向量錶被重定向到了按 0x80 對齊的地方,分別測試選定的 6 個中斷,最終結果如下:SysTick、TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 中斷響應是正常的,而 LPUART1、GPT2、WDOG2 實際響應的中斷函數卻是 MemManage、SysTick、DMA13 比特置,這裏出現了异常。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000080)

2.2 測試以 0x100 對齊的中斷向量錶

將 NEW_VECTOR_ADDRESS 設為 ITCM 偏移 0x100 處,則中斷向量錶被重定向到了按 0x100 對齊的地方,分別測試選定的 6 個中斷,最終結果如下:SysTick、LPUART1、GPT2、WDOG2 中斷響應是正常的,而 TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 實際響應的中斷函數卻是 SysTick、DMA10 比特置,還是出現了异常。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000100)

2.3 測試以 0x180 對齊的中斷向量錶

將 NEW_VECTOR_ADDRESS 設為 ITCM 偏移 0x180 處,則中斷向量錶被重定向到了按 0x180 對齊的地方,實測效果跟 2.1 節一致。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000180)

2.4 測試以 0x200 對齊的中斷向量錶

將 NEW_VECTOR_ADDRESS 設為 ITCM 偏移 0x200 處,則中斷向量錶被重定向到了按 0x200 對齊的地方,6 個中斷都能正常響應,畢竟是符合 ARM 手册裏對齊規定。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000200)

2.5 測試結果總結

因為 i.MXRT1011 最多僅 96 個有效中斷,有些對齊測試不能完全覆蓋,痞子衡後來又在 i.MXRT1176 上(最多 234 個有效中斷)以同樣方式測了一遍,最終總結到現象如下:

1. 當中斷向量錶以 0x80 對齊時:
- 錶中 (2n*0x80)/4 處開始的連續 32 個中斷均能够正常響應,n 可取值 0 - 7
- 錶中 ((2n+1)*0x80)/4 處開始的連續 32 個中斷發生時,實際響應的卻是錶中((2n*0x80)/4 處對應的連續 32 個中斷函數
2. 當中斷向量錶以 0x100 對齊時:
- 錶中 (2n*0x100)/4 處開始的連續 64 個中斷均能够正常響應,n 可取值 0 - 4
- 錶中 ((2n+1)*0x100)/4 處開始的連續 64 個中斷發生時,實際響應的卻是錶中((2n*0x100)/4 處對應的連續 64 個中斷函數
3. 當中斷向量錶以 0x200 對齊時:
- 錶中 (2n*0x200)/4 處開始的連續 128 個中斷均能够正常響應,n 可取值 0 - 1
- 錶中 ((2n+1)*0x200)/4 處開始的連續 128 個中斷發生時,實際響應的卻是錶中((2n*0x200)/4 處對應的連續 128 個中斷函數
4. 當中斷向量錶以 0x400 對齊時:
- 錶中前 256 個中斷均能够正常響應
- 推測錶中第 256 - 511 個中斷發生時,實際響應的是錶中 0 - 255 個中斷
5. 當中斷向量錶以 0x800 對齊時:
- 錶中前 512 個中斷均能够正常響應
6. 當中斷向量錶以 0x180 對齊時:未詳盡測試,效果似乎與以 0x80 對齊一致
7. 當中斷向量錶以 0x280 對齊時:未詳盡測試,第 100 個中斷誤觸發第 68 個中斷函數,第 136 個中斷觸發 HardFault
8. 當中斷向量錶以 0x300 對齊時:未詳盡測試,第 100/136 個中斷均觸發 HardFault
...

至此,Cortex-M中斷向量錶對齊原則痞子衡便介紹完畢了,掌聲在哪裏~~~

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