一文了解Cortex-M中斷向量表對(duì)齊原則

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一、Cortex-M中斷向量表對(duì)齊原則

中斷向量表就是一個(gè)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(gè)字節(jié)，因此數(shù)組中每個(gè)元素大小為 4 字節(jié)），表中元素編號(hào)如下：

1. 中斷向量表第 0 - 1 個(gè)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(gè)向量是系統(tǒng)中斷，IRQ 編號(hào)為 -14 到 -1
3. 中斷向量表第 16 個(gè)向量開始是廠商自定義外設(shè)中斷，IRQ 編號(hào)為 0 到 n
- 對(duì)于 Cortex-M0/0 /1, ARM 建議的 n 值最大為 15（實(shí)際一般廠商都會(huì)擴(kuò)展）
- 對(duì)于 Cortex-M3/4/7/23, ARM 建議的 n 值最大為 239
- 對(duì)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(gè)專門的 VTOR 寄存器用來(lái)控制中斷向量表首地址，程序運(yùn)行起來(lái)后用戶可以配置 SCB->VTOR 寄存器來(lái)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(duì)齊的，這個(gè)毫無(wú)疑問(wèn)！但是僅僅 128 字節(jié)對(duì)齊就行了嗎？這個(gè)是要看情況的，如下 Cortex-M Generic User Guide 手冊(cè)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(duì)齊（還得是 2 的整數(shù)冪）以覆蓋項(xiàng)目中實(shí)際用到的數(shù)值最大中斷號(hào)（xxx_IRQn）。

• Note: 比如項(xiàng)目中實(shí)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(duì)齊。

二、Cortex-M中斷向量表不對(duì)齊的后果

如果中斷向量表首地址沒(méi)有按規(guī)定對(duì)齊，會(huì)發(fā)生什么后果呢？我們找一塊板卡來(lái)實(shí)測(cè)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(gè)系統(tǒng)中斷外，還包含 80 個(gè)外設(shè)中斷，中斷向量表里一共 96 個(gè)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?yàn)?i.MXRT1011 里一共 96 個(gè)中斷，按規(guī)定，中斷向量表首地址至少要按 0x200 對(duì)齊。我們現(xiàn)在故意不按規(guī)定來(lái)設(shè)對(duì)齊，先選擇一個(gè)測(cè)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(gè) 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(wàn)事俱備，我們現(xiàn)在需要使能一些中斷來(lái)驗(yàn)證，痞子衡分別選取了 SysTick、LPUART1、GPT2、WDOG2、TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 六個(gè)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(cè)試以 0x80 對(duì)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(duì)齊的地方，分別測(cè)試選定的 6 個(gè)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(shí)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(cè)試以 0x100 對(duì)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(duì)齊的地方，分別測(cè)試選定的 6 個(gè)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(shí)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(cè)試以 0x180 對(duì)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(duì)齊的地方，實(shí)測(cè)效果跟 2.1 節(jié)一致。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000180)

2.4 測(cè)試以 0x200 對(duì)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(duì)齊的地方，6 個(gè)中斷都能正常響應(yīng)，畢竟是符合 ARM 手冊(cè)里對(duì)齊規(guī)定。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000200)

2.5 測(cè)試結(jié)果總結(jié)

因?yàn)?i.MXRT1011 最多僅 96 個(gè)有效中斷，有些對(duì)齊測(cè)試不能完全覆蓋，痞子衡后來(lái)又在 i.MXRT1176 上（最多 234 個(gè)有效中斷）以同樣方式測(cè)了一遍，最終總結(jié)到現(xiàn)象如下（該現(xiàn)象可用來(lái)精簡(jiǎn)向量表，下文再聊）：

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

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

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