痞子衡嵌入式：嵌入式Cortex-M中斷向量表原理及其重定向方法

　　大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家分享的是Cortex-M中斷向量表原理及其重定向方法。

　　接著前文 《嵌入式Cortex-M裸機(jī)環(huán)境下臨界區(qū)保護(hù)的三種實(shí)現(xiàn)》 繼續(xù)聊，嵌入式代碼設(shè)計(jì)里有時(shí)候一些特殊操作（比如 XIP 下 Flash 擦寫、低功耗模式切換）不能被隨意打斷，或者一些共享數(shù)據(jù)區(qū)不能被無序訪問（A 任務(wù)正在讀，B 任務(wù)卻要寫），這時(shí)候我們可以利用系統(tǒng)全局中斷開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)所謂的臨界區(qū)保護(hù)。

　　但有些場(chǎng)景下開關(guān)系統(tǒng)全局中斷這種方法并不總是很湊效，比如 XIP 下 Flash 擦寫這種情況，如果項(xiàng)目里還有一個(gè)后臺(tái)定時(shí)器（比如SysTick）在實(shí)時(shí)運(yùn)行，擦除 Flash 期間（這個(gè)時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)）我們直接關(guān)閉系統(tǒng)全局中斷，會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器中斷無法響應(yīng)，系統(tǒng)計(jì)時(shí)會(huì)出偏差，對(duì)于這種情況，我們顯然不能關(guān)閉系統(tǒng)全局中斷。

　　為了在 Flash 擦寫期間系統(tǒng)還能夠及時(shí)響應(yīng)定時(shí)器中斷（執(zhí)行中斷響應(yīng)函數(shù)），我們需要將定時(shí)器中斷響應(yīng)函數(shù)及其相關(guān)代碼像 Flash IAP 操作代碼一樣都鏈接到 RAM 里執(zhí)行，此外還需要將中斷向量表也重定向到 RAM 里才行。今天痞子衡就來聊一聊重定向中斷向量表的方法：

一、Cortex-M中斷向量表簡(jiǎn)介

　　熟悉 ARM Cortex-M 處理器的朋友應(yīng)該都對(duì)下面這張表有所了解，這就是中斷向量表，表中每個(gè)向量大小都是 4 字節(jié)，除了第 0 個(gè)向量外，其余向量都是函數(shù)地址，這個(gè)表集中保存了系統(tǒng)全部的中斷處理函數(shù)（xxxIRQHandler）地址。

　　對(duì)于內(nèi)嵌 Flash 的 MCU 來說，初始中斷向量表一般會(huì)被要求固定鏈接到 Flash 起始地址處，因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)總是從 Flash 起始地址獲取第 0（初始棧）、1個(gè)向量（初始PC，復(fù)位函數(shù)ResetHandler）來開始應(yīng)用程序代碼的執(zhí)行。對(duì)于一些包含 BootROM 或者沒有內(nèi)部 Flash 的 MCU，初始中斷向量表也許可以放到 Flash 中的其他地址處，這要取決于具體芯片設(shè)計(jì)。

　　當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行起來后，如果發(fā)生了中斷，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)發(fā)出請(qǐng)求的外設(shè)中斷號(hào)來中斷向量表里找到對(duì)應(yīng)的外設(shè)中斷響應(yīng)函數(shù)并去執(zhí)行。Cortex-M 內(nèi)核（除了CM0）模塊 SCB 里有個(gè)專門的 VTOR 寄存器用來控制中斷向量表首地址（注意，地址需要 128 字節(jié)對(duì)齊），程序運(yùn)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。

二、重定向中斷向量表的方法

　　現(xiàn)在我們以恩智浦 i.MXRT1170 型號(hào)為例介紹重定向中斷向量表的方法，在 \SDK_2.9.1_MIMXRT1170-EVK\boards\evkmimxrt1170\demo_apps\led_blinky\cm7\iar 工程上示例。

2.1 與中斷向量表相關(guān)的文件

　　這個(gè) led_blinky 工程里跟中斷向量表有關(guān)的一共兩個(gè)文件，一是 startup_MIMXRT1176_cm7.s 啟動(dòng)文件，這里面存放了中斷向量表實(shí)體定義，以及復(fù)位函數(shù) ResetHandler()，從復(fù)位函數(shù)里你可以看到上來就先重置了一遍 SCB->VTOR 寄存器。

        THUMB

        PUBWEAK Reset_Handler
        SECTION .text:CODE:REORDER:NOROOT(2)
Reset_Handler
        CPSID   I               ; Mask interrupts
        LDR     R0, =0xE000ED08      ; 即 SCB->VTOR
        LDR     R1, =__vector_table  ; section .intvec 段首地址
        STR     R1, [R0]
        LDR     R2, [R1]
        MSR     MSP, R2
        LDR     R0, =SystemInit
        BLX     R0
        CPSIE   I               ; Unmask interrupts
        LDR     R0, =__iar_program_start
        BX      R0

　　復(fù)位函數(shù)里用到的 __vector_table 值取決于 MIMXRT1176xxxxx_cm7_flexspi_nor.icf 鏈接文件里如下語句設(shè)置。由于 i.MXRT1170 沒有內(nèi)部 Flash，分配給外部 NOR Flash （掛在 FlexSPI1 外設(shè)上）的系統(tǒng)映射起始地址是 0x30000000，而 0x30002000 是 BootROM 能支持的應(yīng)用程序初始中斷向量表地址之一（在 IVT 啟動(dòng)頭里指示）。

define symbol m_interrupts_start       = 0x30002000;
define symbol m_interrupts_end         = 0x300023FF;

define exported symbol __VECTOR_TABLE          = m_interrupts_start;

place at address mem: m_interrupts_start    { readonly section .intvec };

　　編譯工程后在對(duì)應(yīng)生成的 iled_blinky_cm7.map 映射文件里可以找到初始中斷向量表最終鏈接地址。為了便于后續(xù)分析問題，我們將定時(shí)器中斷響應(yīng)函數(shù)地址也一并列出來：

*******************************************************************************
*** PLACEMENT SUMMARY
***

"A0":  place at address 0x3000'2000 { ro section .intvec };

  Section              Kind         Address    Size  Object
  -------              ----         -------    ----  ------
"A0":                                         0x400
  .intvec              ro code  0x3000'2000   0x400  startup_MIMXRT1176_cm7.o [1]
                              - 0x3000'2400   0x400

*******************************************************************************
*** ENTRY LIST
***

Entry                       Address   Size  Type      Object
  -----                       -------   ----  ----      ------
SysTick_Handler         0x3000'5767   0x10  Code  Gb  led_blinky.o [1]
__VECTOR_TABLE {Abs}    0x3000'2000         Data  Gb  <internal module>
__Vectors               0x3000'2000          --   Gb  startup_MIMXRT1176_cm7.o [1]
__Vectors_End           0x3000'2400         Data  Gb  startup_MIMXRT1176_cm7.o [1]
__Vectors_Size {Abs}          0x400          --   Gb  startup_MIMXRT1176_cm7.o [1]
__vector_table          0x3000'2000         Data  Gb  startup_MIMXRT1176_cm7.o [1]

2.2 中斷重定向函數(shù)示例

　　定時(shí)器中斷響應(yīng)函數(shù) SysTick_Handler() 鏈接在 Flash 里顯然是不行的，我們利用 IDE 特性（對(duì)于IAR，是 __ramfunc 修飾符）將其鏈接到 RAM 里（MIMXRT1176xxxxx_cm7_flexspi_nor.icf 里定義了 TEXT2_region: 0x0 - 0x3FFFF 空間存放 section .textrw 段）， 重新編譯工程，查看映射文件可以看到新分配的地址是 0x1。

__ramfunc void SysTick_Handler(void)
{
    if (g_systickCounter != 0U)
    {
        g_systickCounter--;
    }
}

*******************************************************************************
*** ENTRY LIST
***

Entry                       Address   Size  Type      Object
  -----                       -------   ----  ----      ------
SysTick_Handler                 0x1   0x14  Code  Gb  led_blinky.o [1]

　　現(xiàn)在我們嘗試在代碼里純手工搬移中斷向量表，找一塊空閑的 RAM 區(qū)域（比如 0x20000000 - 0x200003FF），將中斷向量表內(nèi)容直接手工拷貝過去即可，示例代碼如下。主函數(shù)里一開始就調(diào)用一下這個(gè) relocate_vector_table() 函數(shù)即可，修改后的工程下載進(jìn)板卡運(yùn)行一切正常，表明中斷向量表重定向操作成功了。

extern uint32_t __VECTOR_TABLE[];

void relocate_vector_table(void)
{
    __disable_irq();
    // 將 0x30002000 處的初始中斷向量表拷貝到新地址 0x20000000
    memcpy((void *)0x20000000, (void *)__VECTOR_TABLE, 0x400);
    // 將 VTOR 指向 0x20000000
    SCB->VTOR = 0x20000000;
    __enable_irq();
}

int main(void)
{
    relocate_vector_table();

    // 其余代碼
}

　　至此，Cortex-M中斷向量表原理及其重定向方法痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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