Cortex-M3內(nèi)核的異常處理機(jī)制及其新技術(shù)研究

引言

CortexM3是ARM公司第一款基于ARMv7M的微控制器內(nèi)核，在指令執(zhí)行、異常控制、時(shí)鐘管理、跟蹤調(diào)試和存儲(chǔ)保護(hù)等方面相對(duì)于 ARM7有很大的區(qū)別。尤其在異常處理機(jī)制方面有很大的改進(jìn)，其異常響應(yīng)只需要12個(gè)時(shí)鐘周期。NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller,嵌套向量中斷控制器)是CortexM3處理器的一個(gè)緊耦合部件，可以配置1~240個(gè)帶有256個(gè)優(yōu)先級(jí)、8級(jí)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[1].同時(shí)，搶占(pre?emption)、尾鏈(tail?chaining)、遲到 (late?arriving)技術(shù)的使用，大大縮短了異常事件的響應(yīng)時(shí)間。

異常或者中斷是處理器響應(yīng)系統(tǒng)中突發(fā)事件的一種機(jī)制。當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，CortexM3通過(guò)硬件自動(dòng)將編程計(jì)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(jìn)堆棧。在Dbus(數(shù)據(jù)總線)保存處理器狀態(tài)的同時(shí)，處理器通過(guò)Ibus(指令總線)從一個(gè)可以重新定位的向量表中識(shí)別出異常向量，并獲取ISR函數(shù)的地址，也就是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)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(wù)程序或故障處理程序就開(kāi)始執(zhí)行。執(zhí)行完ISR,硬件進(jìn)行出棧操作，中斷前的程序恢復(fù)正常執(zhí)行。圖1為CortexM3處理器的異常處理流程[2].

圖1 CortexM3異常處理流程

1 CortexM3異常類(lèi)型

同ARM7相比，CortexM3在異常的分類(lèi)和優(yōu)先級(jí)上有很大的差異，如表1所列。

表1CortexM3異常類(lèi)型及優(yōu)先級(jí)

CortexM3將異常分為復(fù)位、不可屏蔽中斷、硬故障、存儲(chǔ)管理、總線故障和應(yīng)用故障、SVcall、調(diào)試監(jiān)視異常、PendSV、 SysTick以及外部中斷等。CortexM3采用向量表來(lái)確定異常的入口地址。與大多數(shù)其他ARM內(nèi)核不同，CortexM3向量表中包含異常處理程序和ISR的地址，而不是指令。復(fù)位處理程序的初始堆棧指針和地址必須分別位于0x0和0x4.這些值在隨后的復(fù)位中被加載到適當(dāng)?shù)腃PU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(fù)位時(shí)，默認(rèn)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(guò) Ibus查表獲取地址，執(zhí)行異常處理程序。

在CortexM3的優(yōu)先級(jí)分配中，較低的優(yōu)先級(jí)值具有較高的優(yōu)先級(jí)。NVIC將異常的優(yōu)先級(jí)分成兩部分：搶占優(yōu)先級(jí)(pre?emption priority)部分和子優(yōu)先級(jí)(sub?priority)部分，可以通過(guò)中斷申請(qǐng)/復(fù)位控制寄存器來(lái)確定兩個(gè)部分所占的比例。搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)共同作用確定了異常的優(yōu)先級(jí)。搶占優(yōu)先級(jí)用于決定是否發(fā)生搶占，一個(gè)異常只有在搶占優(yōu)先級(jí)高于另一個(gè)異常的搶占優(yōu)先級(jí)時(shí)才能發(fā)生搶占。當(dāng)多個(gè)掛起異常具有相同的搶占優(yōu)先級(jí)時(shí)，子優(yōu)先級(jí)起作用[3].通過(guò)NVIC設(shè)置的優(yōu)先級(jí)權(quán)限高于硬件默認(rèn)優(yōu)先級(jí)。當(dāng)有多個(gè)異常具有相同的優(yōu)先級(jí)時(shí)，則比較異常號(hào)的大小，異常號(hào)小的被優(yōu)先激活。

2 CortexM3異常處理

2.1 異常的進(jìn)入

當(dāng)一個(gè)異常出現(xiàn)以后，CortexM3處理器由硬件通過(guò)Dbus保存處理器狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)Ibus讀取向量表中的SP,更新PC和LR,執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。

為了應(yīng)對(duì)堆棧操作階段到來(lái)后的更高優(yōu)先級(jí)異常，CortexM3支持遲到和搶占機(jī)制，以便對(duì)各種可能事件做出確定性的響應(yīng)。

搶占是一種對(duì)更高優(yōu)先級(jí)異常的響應(yīng)機(jī)制。CortexM3異常搶占的處理過(guò)程[2] 如圖2所示。當(dāng)新的更高優(yōu)先級(jí)異常到來(lái)時(shí)，處理器打斷當(dāng)前的流程，執(zhí)行更高優(yōu)先級(jí)的異常操作，這樣就發(fā)生了異常嵌套。遲到是處理器用來(lái)加速搶占的一種機(jī)制。如果一個(gè)具有更高優(yōu)先級(jí)的異常在上一個(gè)異常執(zhí)行壓棧期間到達(dá)，則處理器保存狀態(tài)的操作繼續(xù)執(zhí)行，因?yàn)楸槐４娴臓顟B(tài)對(duì)于兩個(gè)異常都是一樣的。但是，NVIC馬上獲取的是更高優(yōu)先級(jí)的異常向量地址。這樣在處理器狀態(tài)保存完成后，開(kāi)始執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)異常的ISR.

圖2 異常搶占流程

2.2 異常的返回

CortexM3異常返回的操作[2]如圖3所示。當(dāng)從異常中返回時(shí)，處理器可能會(huì)處于以下情況之一[4]:

◆ 尾鏈到一個(gè)已掛起的異常，該異常比棧中所有異常的優(yōu)先級(jí)都高;

◆ 如果沒(méi)有掛起的異常，或是棧中最高優(yōu)先級(jí)的異常比掛起的最高優(yōu)先級(jí)異常具有更高的優(yōu)先級(jí)，則返回到最近一個(gè)已壓棧的ISR;

◆ 如果沒(méi)有異常已經(jīng)掛起或位于棧中，則返回到Tread模式。

為了應(yīng)對(duì)異常返回階段可能遇到的新的更高優(yōu)先級(jí)異常，CortexM3支持完全基于硬件的尾鏈機(jī)制，簡(jiǎn)化了激活的和未決的異常之間的移動(dòng)，能夠在兩個(gè)異常之間沒(méi)有多余的狀態(tài)保存和恢復(fù)指令的情況下實(shí)現(xiàn)back?to?back處理。尾鏈發(fā)生的2個(gè)條件[2]:異常返回時(shí)產(chǎn)生了新的異常;掛起的異常的優(yōu)先級(jí)比所有被壓棧的異常的優(yōu)先級(jí)都高。

尾鏈發(fā)生后，CortexM3處理過(guò)程如圖3中尾鏈分支所示。這時(shí)，CortexM3處理器終止正在進(jìn)行的出棧操作并跳過(guò)新異常進(jìn)入時(shí)的壓棧操作，同時(shí)通過(guò)Ibus立即取出掛起異常的向量。在退出前一個(gè)ISR返回操作6個(gè)周期后，開(kāi)始執(zhí)行尾鏈的ISR.

圖3 異常的返回

3 CortexM3和ARM7中斷控制器比較

在過(guò)去的十年中，基于ARMv4的ARM7系列微控制器廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。在ARM7系列中，并沒(méi)有對(duì)中斷進(jìn)行獨(dú)立的服務(wù)，而是通過(guò)犧牲處理器一定的性能來(lái)?yè)Q取有效的中斷響應(yīng)和中斷處理機(jī)制。CortexM3高度耦合的NVIC可以實(shí)現(xiàn)硬件中斷處理，同時(shí)支持遲到和尾鏈機(jī)制，加快了異常響應(yīng)的速度，充分發(fā)揮了處理器的性能。

圖4 為CorexM3和ARM7在中斷控制器結(jié)構(gòu)方面的差異。

比較可知，NVIC是直接作為CortexM3處理器的一部分，集成在處理器核內(nèi)部;而VIC只是游離在ARM7內(nèi)核的外圍，這樣就必然占用內(nèi)核資源，影響了處理速度。CortexM3和ARM7中斷控制器在功能和實(shí)現(xiàn)方式上的差異如表2所列。

圖4 CortexM3和ARM7中斷控制器結(jié)構(gòu)的差異

表2 CortexM3和ARM7中斷控制器功能和實(shí)現(xiàn)方式的差異

3.1 處理器響應(yīng)單個(gè)異常

CortexM3和ARM7異常處理過(guò)程如圖5所示。

圖5 CortexM3和ARM7異常處理過(guò)程

ARM7處理器的異常開(kāi)銷(xiāo)：

CortexM3處理器的異常開(kāi)銷(xiāo)：

其中，TARM7為ARM7處理異常的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo);TARM7_PUSH和TARM7_POP為ARM7進(jìn)行壓棧和出棧的操作時(shí)間;TCoretxM3為CortexM3處理異常的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo);TM3_PUSH和TM3_POP為CortexM3進(jìn)行壓棧和出棧的操作時(shí)間。

可見(jiàn)，由于采用處理器狀態(tài)硬件保存，CortexM3處理器少用了18周期，節(jié)省了42.8%的異常開(kāi)銷(xiāo)。

3.2 處理器響應(yīng)遲到異常

CortexM3和ARM7在處理遲到高優(yōu)先級(jí)異常時(shí)的差異如圖6所示。

當(dāng)IRQ2正在為執(zhí)行ISR2保存處理器狀態(tài)時(shí)，遲到了一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的異常IRQ1.這時(shí)ARM7繼續(xù)進(jìn)行壓棧操作。在壓棧操作完成后，ARM7繼續(xù)為執(zhí)行ISR1進(jìn)行壓棧操作，然后執(zhí)行ISR1.其實(shí)，兩次壓棧操作所保存的內(nèi)容是一樣的。因此，CortexM3對(duì)這個(gè)階段的操作進(jìn)行了優(yōu)化，引進(jìn)了遲到異常技術(shù)，只進(jìn)行一次的壓棧操作。并且在ISR1執(zhí)行完成之后，CortexM3沒(méi)有進(jìn)行出棧操作，而是通過(guò)一個(gè)6周期的尾鏈，直接進(jìn)入ISR2的執(zhí)行。

圖6 NVIC對(duì)遲到的具有更高優(yōu)先級(jí)異常的響應(yīng)

在上面的例子中，ARM7處理器的異常開(kāi)銷(xiāo)：

CortexM3處理器的異常開(kāi)銷(xiāo)：

其中，TARM7_later和TM3_later分別為ARM7和CortexM3處理遲到異常所用的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo);Ttailchaining為CortexM3處理尾鏈所用的時(shí)間。

通過(guò)計(jì)算可以看出，CortexM3少用了44周期，節(jié)省65%的異常開(kāi)銷(xiāo)。

3.3 處理器處理back?to?back異常

若一個(gè)新的異常在上一個(gè)異常寄存器出棧時(shí)到來(lái)，ARM7和CortexM3的處理方式也有很大不同。CortexM3和ARM7在處理 back?to?back異常時(shí)的差異如圖7所示。ARM7繼續(xù)當(dāng)前的出棧操作，在出棧操作完成后，處理器為執(zhí)行ISR2進(jìn)行壓棧操作，然后執(zhí)行 ISR2.其實(shí)，這時(shí)候處理器出棧和壓棧的內(nèi)容是一致的。CortexM3同樣優(yōu)化了這個(gè)階段的操作，引進(jìn)了尾鏈機(jī)制。當(dāng)IRQ2到來(lái)時(shí)，CortexM3立即中止已經(jīng)進(jìn)行了8個(gè)周期的出棧操作，轉(zhuǎn)而進(jìn)行尾鏈操作，然后執(zhí)行ISR2.

圖7 NVIC搶占出棧

在處理back?to?back異常時(shí)，ARM7處理器用在ISR1到ISR2轉(zhuǎn)換的異常開(kāi)銷(xiāo)：

CortexM3處理器用在ISR1到ISR2轉(zhuǎn)換的異常開(kāi)銷(xiāo)：

其中，TARM_btb和TM3_btb分別為ARM7和CortexM3處理back?to?back異常轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo);Tcancel為發(fā)生尾鏈時(shí)CortexM3已用于狀態(tài)恢復(fù)的時(shí)間。

通過(guò)計(jì)算可以看出，CortexM3少用了28周期。其實(shí)，CortexM3處理器用在ISR1到ISR2轉(zhuǎn)換的異常開(kāi)銷(xiāo)最低可以優(yōu)化到只用6個(gè)周期， 這樣就極大地提高了back?to?back異常的響應(yīng)能力。

結(jié)語(yǔ)

本文闡述了CortexM3處理器的異常處理機(jī)制。通過(guò)和ARM7進(jìn)行比較，量化分析了CortexM3在異常處理方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)工程師使用CortexM3的異常處理會(huì)有一定參考和幫助。