本帖最后由 Massif123 于 2010-1-31 10:53 编辑
Cortex—M3的异常处理机制研究
武汉理工大学 方安平 蔡俊宇
摘要:详细阐述Cortex-M3异常的分类、优先级、进入和退出,以及在Cortex-M3异常处理机制中使用的新技术——迟到(late-arriving)和尾链(tail-chanining);最后,比较Cortex-M3和ARM7异常控制机制的区别,并量化分析迟到和尾链技术在异常处理中的优越性。
关键词 Cortex-M3 异常 迟到 尾链 中断控制器
引 言 Cortexm—M3是ARM公司第一款基于ARMv7-M的微控制器内核,在指令执行、异常控制、时钟管理、跟踪调试和存储保护等方面相对于ARM7有很大的区别。尤其在异常处理机制方面有很大的改进,其异常响应只需要12个时钟周期。NVIC(Nested Vectored Inteirupt Contmller,嵌套向量中断控制器)是Cortex—M3处理器的一个紧耦合部件,可以配置1~240个带有256个优先级、8级抢占优先权的物理中断,为处理器提供出色的异常处理能力。同时,抢占(pre-emption)、尾链(tail—chaining)、迟到(1ate—arriving)技术的使用,大大缩短了异常事件的响应时间。 异常或者中断是处理器响应系统中突发事件的一种机制。当异常发生时,Cortex—M3通过硬件自动将编程计数器(PC)、编程状态寄存器(XPSR)、链接寄存器(LR)和R0~R3、R12等寄存器压进堆栈。在Dbus(数据总线)保存处理器状态的同时,处理器通过Ibus(指令总线)从一个可以重新定位的向量表中识别出异常向量,并获取ISR函数的地址,也就是保护现场与取异常向量是并行处理的。一旦压栈和取指令完成,中断服务程序或故障处理程序就开始执行。执行完ISR,硬件进行出栈操作,中断前的程序恢复正常执行。图1为Cortex—M3处理器的异常处理流程。
1 Cortex—M3异常类型 同ARM7相比,Cortex—M3在异常的分类和优先级上有很大的差异,如表1所列。
Cortex—M3将异常分为复位、不可屏蔽中断、硬故障、存储管理、总线故障和应用故障、SVcall、调试监视异常、PendSV、SysTick以及外部中断等。Cortex—M3采用向量表来确定异常的入口地址。与大多数其他ARM内核不同,Cortex—M3向量表中包含异常处理程序和ISR的地址,而不是指令。复位处理程序的初始堆栈指针和地址必须分别位于0xO和Ox4。这些值在随后的复位中被加载到适当的CPU寄存器中。向量表偏移控制寄存器将向量表定位在CODE(Flash)或SRAM中。复位时,默认情况下为CODE模式,但可以重新定位。异常被接受后,处理器通过Ibus查表获取地址,执行异常处理程序。 在Cortex—M3的优先级分配中,较低的优先级值具有较高的优先级。NVIC将异常的优先级分成两部分:抢占优先级(pre—emption priority)部分和子优先级(sub—priority)部分,可以通过中断申请/复位控制寄存器来确定两个部分所占的比例。抢占优先级和子优先级共同作用确定了异常的优先级。抢占优先级用于决定是否发生抢占,一个异常只有在抢占优先级高于另一个异常的抢占优先级时才能发生抢占。当多个挂起异常具有相同的抢占优先级时,子优先级起作用。通过NVIC设置的优先级权限高于硬件默认优先级。当有多个异常具有相同的优先级时,则比较异常号的大小,异常号小的被优先激活。 |