痞子衡嵌入式：嵌入式Cortex-M中斷向量表對齊原則的深入研究

　　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中斷向量表對齊原則。

　　今天這篇文章的內容主要來自於五年前做 Kinetis K32W 系列雙核啟動時的發現，最近正好有同事碰到了 ARM Cortex-M 中斷向量表對齊問題，於是痞子衡想起了這事（感慨自己記性還挺好），翻出了五年前的郵件，將當時測試結果重新整理成文。

　　前段時間痞子衡剛寫了篇《Cortex-M中斷向量表原理及其重定向方法》，簡單介紹了中斷向量表工作機制，今天咱們接著來聊聊這個中斷向量表對齊的事：

一、Cortex-M中斷向量表對齊原則

　　中斷向量表就是一個集中儲存系統全部中斷處理函式（xxxIRQHandler）地址的常量陣列（函式地址要佔 4 個位元組，因此陣列中每個元素大小為 4 位元組），表中元素編號如下：

1. 中斷向量表第 0 - 1 個向量比較特殊，是程式初始 SP 和 PC 值

2. 中斷向量表第 2 - 15 個向量是系統中斷，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中斷，IRQ 編號為 0 到 n

   - 對於 Cortex-M0/0+/1,    ARM 建議的 n 值最大為 15（實際一般廠商都會擴充套件）

   - 對於 Cortex-M3/4/7/23,  ARM 建議的 n 值最大為 239

   - 對於 Cortex-M33/35P/55, ARM 建議的 n 值最大為 479

　　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，程式執行起來後用戶可以配置 SCB->VTOR 暫存器來重設中斷向量表地址。

　　SCB->VTOR 暫存器低 7bit 是保留的（永遠0），所以中斷向量表首地址一定要是 128 位元組（0x80）對齊的，這個毫無疑問！但是僅僅 128 位元組對齊就行了嗎？這個是要看情況的，如下 Cortex-M Generic User Guide 手冊裡關於 VTOR 暫存器描述裡有這樣一段話（紅框內），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 的整數冪）以覆蓋專案中實際用到的數值最大中斷號（xxx_IRQn）。

Note: 比如專案中實際用到最大外設中斷為 IRQ20，則最小向量表大小為（16 + 21）* 4 位元組，那麼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後果

　　如果中斷向量表首地址沒有按規定對齊，會發生什麼後果呢？我們找一塊板卡來實測下，選擇的晶片是恩智浦 i.MXRT1011，這是顆 Cortex-M7 核心的 MCU，除了 16 個系統中斷外，還包含 80 個外設中斷，中斷向量表裡一共 96 個有效中斷，見如下 startup_MIMXRT1011.s 檔案中具體中斷響應函式定義：

　　因為 i.MXRT1011 裡一共 96 箇中斷，按規定，中斷向量表首地址至少要按 0x200 對齊。我們現在故意不按規定來設對齊，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 檔案，加一個 relocate_vector_table() 函式，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();

    // 其餘程式碼

}

　　萬事俱備，我們現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，它們的使能程式碼都可以從 SDK\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\ 裡找到，這裡不予贅述。

2.1 測試以 0x80 對齊的中斷向量表

　　將 NEW_VECTOR_ADDRESS 設為 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 箇中斷，最終結果如下：SysTick、TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 中斷響應是正常的，而 LPUART1、GPT2、WDOG2 實際響應的中斷函式卻是 MemManage、SysTick、DMA13 位置，這裡出現了異常。

#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 箇中斷，最終結果如下：SysTick、LPUART1、GPT2、WDOG2 中斷響應是正常的，而 TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 實際響應的中斷函式卻是 SysTick、DMA10 位置，還是出現了異常。

#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 箇中斷都能正常響應，畢竟是符合 ARM 手冊裡對齊規定。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000200)

2.5 測試結果總結

　　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，痞子衡後來又在 i.MXRT1176 上（最多 234 個有效中斷）以同樣方式測了一遍，最終總結到現象如下：

1. 當中斷向量表以 0x80 對齊時：

  - 表中 (2n*0x80)/4 處開始的連續 32 箇中斷均能夠正常響應，n 可取值 0 - 7

  - 表中 ((2n+1)*0x80)/4 處開始的連續 32 箇中斷髮生時，實際響應的卻是表中（(2n*0x80)/4 處對應的連續 32 箇中斷函式

2. 當中斷向量表以 0x100 對齊時：

  - 表中 (2n*0x100)/4 處開始的連續 64 箇中斷均能夠正常響應，n 可取值 0 - 4

  - 表中 ((2n+1)*0x100)/4 處開始的連續 64 箇中斷髮生時，實際響應的卻是表中（(2n*0x100)/4 處對應的連續 64 箇中斷函式

3. 當中斷向量表以 0x200 對齊時：

  - 表中 (2n*0x200)/4 處開始的連續 128 箇中斷均能夠正常響應，n 可取值 0 - 1

  - 表中 ((2n+1)*0x200)/4 處開始的連續 128 箇中斷髮生時，實際響應的卻是表中（(2n*0x200)/4 處對應的連續 128 箇中斷函式

4. 當中斷向量表以 0x400 對齊時：

  - 表中前 256 箇中斷均能夠正常響應

  - 推測表中第 256 - 511 箇中斷髮生時，實際響應的是表中 0 - 255 箇中斷

5. 當中斷向量表以 0x800 對齊時：

  - 表中前 512 箇中斷均能夠正常響應

6. 當中斷向量表以 0x180 對齊時：未詳盡測試，效果似乎與以 0x80 對齊一致

7. 當中斷向量表以 0x280 對齊時：未詳盡測試，第 100 箇中斷誤觸發第 68 箇中斷函式，第 136 箇中斷觸發 HardFault

8. 當中斷向量表以 0x300 對齊時：未詳盡測試，第 100/136 箇中斷均觸發 HardFault

...

　　至此，Cortex-M中斷向量表對齊原則痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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