一文了解Cortex-M中斷向量表對齊原則

關(guān)注 星標(biāo)公眾號，不錯過精彩內(nèi)容

來源 | 痞子衡嵌入式

一、Cortex-M中斷向量表對齊原則

中斷向量表就是一個集中保存系統(tǒng)全部中斷處理函數(shù)（xxxIRQHandler）地址的常量數(shù)組（函數(shù)地址要占 4 個字節(jié)，因此數(shù)組中每個元素大小為 4 字節(jié)），表中元素編號如下：

1. 中斷向量表第 0 - 1 個向量比較特殊，是程序初始 SP 和 PC 值
2. 中斷向量表第 2 - 15 個向量是系統(tǒng)中斷，IRQ 編號為 -14 到 -1
3. 中斷向量表第 16 個向量開始是廠商自定義外設(shè)中斷，IRQ 編號為 0 到 n
- 對于 Cortex-M0/0 /1, ARM 建議的 n 值最大為 15（實際一般廠商都會擴展）
- 對于 Cortex-M3/4/7/23, ARM 建議的 n 值最大為 239
- 對于 Cortex-M33/35P/55, ARM 建議的 n 值最大為 479
Cortex-M 內(nèi)核（除了CM0）模塊 SCB 里有個專門的 VTOR 寄存器用來控制中斷向量表首地址，程序運行起來后用戶可以配置 SCB->VTOR 寄存器來重設(shè)中斷向量表地址。

SCB->VTOR 寄存器低 7bit 是保留的（永遠(yuǎn)0），所以中斷向量表首地址一定要是 128 字節(jié)（0x80）對齊的，這個毫無疑問！但是僅僅 128 字節(jié)對齊就行了嗎？這個是要看情況的，如下 Cortex-M Generic User Guide 手冊里關(guān)于 VTOR 寄存器描述里有這樣一段話（紅框內(nèi)），這段話的意思是向量表首地址需要按 0x80 向上對齊（還得是 2 的整數(shù)冪）以覆蓋項目中實際用到的數(shù)值最大中斷號（xxx_IRQn）。

• Note: 比如項目中實際用到最大外設(shè)中斷為 IRQ20，則最小向量表大小為（16 21）* 4 字節(jié)，那么向量表首地址需要至少以 0x100 對齊。

二、Cortex-M中斷向量表不對齊的后果

如果中斷向量表首地址沒有按規(guī)定對齊，會發(fā)生什么后果呢？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(nèi)核的 MCU，除了 16 個系統(tǒng)中斷外，還包含 80 個外設(shè)中斷，中斷向量表里一共 96 個有效中斷，見如下 startup_MIMXRT1011.s 文件中具體中斷響應(yīng)函數(shù)定義：

因為 i.MXRT1011 里一共 96 個中斷，按規(guī)定，中斷向量表首地址至少要按 0x200 對齊。我們現(xiàn)在故意不按規(guī)定來設(shè)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(shù)，將中斷向量表重定向到 NEW_VECTOR_ADDRESS：

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000080)

extern uint32_t __VECTOR_TABLE[];
void relocate_vector_table(void)
{
__disable_irq();
// 將 0x60002000 處的初始中斷向量表拷貝到新地址 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();

// 其余代碼
}
萬事俱備，我們現(xiàn)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\ 里找到，這里不予贅述。

2.1 測試以 0x80 對齊的中斷向量表

將 NEW_VECTOR_ADDRESS 設(shè)為 ITCM 偏移 0x80 處，則中斷向量表被重定向到了按 0x80 對齊的地方，分別測試選定的 6 個中斷，最終結(jié)果如下：SysTick、TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 中斷響應(yīng)是正常的，而 LPUART1、GPT2、WDOG2 實際響應(yīng)的中斷函數(shù)卻是 MemManage、SysTick、DMA13 位置，這里出現(xiàn)了異常。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000080)

2.2 測試以 0x100 對齊的中斷向量表

將 NEW_VECTOR_ADDRESS 設(shè)為 ITCM 偏移 0x100 處，則中斷向量表被重定向到了按 0x100 對齊的地方，分別測試選定的 6 個中斷，最終結(jié)果如下：SysTick、LPUART1、GPT2、WDOG2 中斷響應(yīng)是正常的，而 TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 實際響應(yīng)的中斷函數(shù)卻是 SysTick、DMA10 位置，還是出現(xiàn)了異常。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000100)

2.3 測試以 0x180 對齊的中斷向量表

將 NEW_VECTOR_ADDRESS 設(shè)為 ITCM 偏移 0x180 處，則中斷向量表被重定向到了按 0x180 對齊的地方，實測效果跟 2.1 節(jié)一致。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000180)

2.4 測試以 0x200 對齊的中斷向量表

將 NEW_VECTOR_ADDRESS 設(shè)為 ITCM 偏移 0x200 處，則中斷向量表被重定向到了按 0x200 對齊的地方，6 個中斷都能正常響應(yīng)，畢竟是符合 ARM 手冊里對齊規(guī)定。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000200)

2.5 測試結(jié)果總結(jié)

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，痞子衡后來又在 i.MXRT1176 上（最多 234 個有效中斷）以同樣方式測了一遍，最終總結(jié)到現(xiàn)象如下（該現(xiàn)象可用來精簡向量表，下文再聊）：

1. 當(dāng)中斷向量表以 0x80 對齊時：
- 表中 (2n*0x80)/4 處開始的連續(xù) 32 個中斷均能夠正常響應(yīng)，n 可取值 0 - 7
- 表中 ((2n 1)*0x80)/4 處開始的連續(xù) 32 個中斷發(fā)生時，實際響應(yīng)的卻是表中（(2n*0x80)/4 處對應(yīng)的連續(xù) 32 個中斷函數(shù)
2. 當(dāng)中斷向量表以 0x100 對齊時：
- 表中 (2n*0x100)/4 處開始的連續(xù) 64 個中斷均能夠正常響應(yīng)，n 可取值 0 - 4
- 表中 ((2n 1)*0x100)/4 處開始的連續(xù) 64 個中斷發(fā)生時，實際響應(yīng)的卻是表中（(2n*0x100)/4 處對應(yīng)的連續(xù) 64 個中斷函數(shù)
3. 當(dāng)中斷向量表以 0x200 對齊時：
- 表中 (2n*0x200)/4 處開始的連續(xù) 128 個中斷均能夠正常響應(yīng)，n 可取值 0 - 1
- 表中 ((2n 1)*0x200)/4 處開始的連續(xù) 128 個中斷發(fā)生時，實際響應(yīng)的卻是表中（(2n*0x200)/4 處對應(yīng)的連續(xù) 128 個中斷函數(shù)
4. 當(dāng)中斷向量表以 0x400 對齊時：
- 表中前 256 個中斷均能夠正常響應(yīng)
- 推測表中第 256 - 511 個中斷發(fā)生時，實際響應(yīng)的是表中 0 - 255 個中斷函數(shù)
5. 當(dāng)中斷向量表以 0x800 對齊時：
- 表中前 512 個中斷均能夠正常響應(yīng)

6. 當(dāng)中斷向量表以 0x180 對齊時：未詳盡測試，效果似乎與以 0x80 對齊一致
7. 當(dāng)中斷向量表以 0x280 對齊時：未詳盡測試，第 100 個中斷誤觸發(fā)第 68 個中斷函數(shù)，第 136 個中斷觸發(fā) HardFault
8. 當(dāng)中斷向量表以 0x300 對齊時：未詳盡測試，第 100/136 個中斷均觸發(fā) HardFault
...
至此，Cortex-M中斷向量表對齊原則介紹完了~~~

------------ END ------------