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

痞子衡發表於2021-08-04

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。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裸機環境下臨界區保護的三種實現》 繼續聊，嵌入式程式碼設計裡有時候一些特殊操作（比如 XIP 下 Flash 擦寫、低功耗模式切換）不能被隨意打斷，或者一些共享資料區不能被無序訪問（A 任務正在讀，B 任務卻要寫），這時候我們可以利用系統全域性中斷開關控制來實現所謂的臨界區保護。

　　但有些場景下開關係統全域性中斷這種方法並不總是很湊效，比如 XIP 下 Flash 擦寫這種情況，如果專案裡還有一個後臺定時器（比如SysTick）在實時執行，擦除 Flash 期間（這個時間可能會很長）我們直接關閉系統全域性中斷，會導致定時器中斷無法響應，系統計時會出偏差，對於這種情況，我們顯然不能關閉系統全域性中斷。

　　為了在 Flash 擦寫期間系統還能夠及時響應定時器中斷（執行中斷響應函式），我們需要將定時器中斷響應函式及其相關程式碼像 Flash IAP 操作程式碼一樣都連結到 RAM 裡執行，此外還需要將中斷向量表也重定向到 RAM 裡才行。今天痞子衡就來聊一聊重定向中斷向量表的方法：

一、Cortex-M中斷向量表簡介

　　熟悉 ARM Cortex-M 處理器的朋友應該都對下面這張表有所瞭解，這就是中斷向量表，表中每個向量大小都是 4 位元組，除了第 0 個向量外，其餘向量都是函式地址，這個表集中儲存了系統全部的中斷處理函式（xxxIRQHandler）地址。

　　對於內嵌 Flash 的 MCU 來說，初始中斷向量表一般會被要求固定連結到 Flash 起始地址處，因為系統啟動總是從 Flash 起始地址獲取第 0（初始棧）、1個向量（初始PC，復位函式ResetHandler）來開始應用程式程式碼的執行。對於一些包含 BootROM 或者沒有內部 Flash 的 MCU，初始中斷向量表也許可以放到 Flash 中的其他地址處，這要取決於具體晶片設計。

　　當應用程式執行起來後，如果發生了中斷，系統會根據發出請求的外設中斷號來中斷向量表裡找到對應的外設中斷響應函式並去執行。Cortex-M 核心（除了CM0）模組 SCB 裡有個專門的 VTOR 暫存器用來控制中斷向量表首地址（注意，地址需要 128 位元組對齊），程式執行起來後使用者可以配置 SCB->VTOR 暫存器來重設中斷向量表地址。

二、重定向中斷向量表的方法

　　現在我們以恩智浦 i.MXRT1170 型號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 與中斷向量表相關的檔案

　　這個 led_blinky 工程裡跟中斷向量表有關的一共兩個檔案，一是 startup_MIMXRT1176_cm7.s 啟動檔案，這裡面存放了中斷向量表實體定義，以及復位函式 ResetHandler()，從復位函式裡你可以看到上來就先重置了一遍 SCB->VTOR 暫存器。

        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

　　復位函式裡用到的 __vector_table 值取決於 MIMXRT1176xxxxx_cm7_flexspi_nor.icf 連結檔案裡如下語句設定。由於 i.MXRT1170 沒有內部 Flash，分配給外部 NOR Flash （掛在 FlexSPI1 外設上）的系統對映起始地址是 0x30000000，而 0x30002000 是 BootROM 能支援的應用程式初始中斷向量表地址之一（在 IVT 啟動頭裡指示）。

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 };

　　編譯工程後在對應生成的 iled_blinky_cm7.map 對映檔案裡可以找到初始中斷向量表最終連結地址。為了便於後續分析問題，我們將定時器中斷響應函式地址也一併列出來：

*******************************************************************************
*** 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 中斷重定向函式示例

　　定時器中斷響應函式 SysTick_Handler() 連結在 Flash 裡顯然是不行的，我們利用 IDE 特性（對於IAR，是 __ramfunc 修飾符）將其連結到 RAM 裡（MIMXRT1176xxxxx_cm7_flexspi_nor.icf 裡定義了 TEXT2_region: 0x0 - 0x3FFFF 空間存放 section .textrw 段）， 重新編譯工程，檢視對映檔案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]

　　現在我們嘗試在程式碼裡純手工搬移中斷向量表，找一塊空閒的 RAM 區域（比如 0x20000000 - 0x200003FF），將中斷向量表內容直接手工拷貝過去即可，示例程式碼如下。主函式裡一開始就呼叫一下這個 relocate_vector_table() 函式即可，修改後的工程下載進板卡執行一切正常，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()；

    // 其餘程式碼
}

　　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，掌聲在哪裡~~~

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