STM32单片机芯片与内部20 中断管理

SP：在入栈中会把堆栈指针（PSP或MSP）更新到新的位置。在执行服务例程后，将由MSP负责对堆栈的访问。
PSR： IPSR位段（地处PSR的最低部分）会被更新为新响应的异常编号。
PC：在向量取出完毕后， PC将指向服务例程的入口地址，
LR： LR的用法将被重新解释，其值也被更新成一种特殊的值，称为“EXC_RETURN”，并且在异常返回时使用。 EXC_RETURN的二进制值除了最低4位外全为1，而其最低4位则有另外的含义

以上是在响应异常时通用寄存器的变化。另一方面，在NVIC中，也伴随着更新了与之相关的若干寄存器。例如，新响应异常的悬起位将被清除，同时其活动位将被置位。

二、异常返回

当异常服务例程执行完毕后，需要很正式地做一个“异常返回”动作序列，从而恢复先前的系统状态，才能使被中断的程序得以继续执行。从形式上看，有3种途径可以触发异常返回序列，不管使用哪一种，都需要用到先前储的LR的值。

出栈：先前压入栈中的寄存器在这里恢复。内部的出栈顺序与入栈时的相对应，堆栈指针的值也改回去。
更新NVIC寄存器：伴随着异常的返回，它的活动位也被硬件清除。对于外部中断，倘若中断输入再次被置为有效，悬起位也将再次置位，新一次的中断响应序列也可随之再次开始。

三、嵌套中断

事实上，我们要做的就只是为每个中断适当地建立优先级，不用再操心别的。

NVIC和CM3处理器会为我们排出优先级解码的顺序。因此，在某个异常正在响应时，所有优先级不高于它的异常都不能抢占之，而且它自己也不能抢占自己。
有了自动入栈和出栈，就不用担心在中断发生嵌套时，会使寄存器的数据损毁，从而可以放心地执行服务例程。

所有服务例程都只使用主堆栈。所以当中断嵌套加深时，对主堆栈的压力会增大：每嵌套一级，就至少再需要8个字，即32字节的堆栈空间——而且这还没算上ISR对堆栈的额外需求，并且何时嵌套多少级也是不可预料的。如果主堆栈的容量本来就已经所剩无几了，中断嵌套又突然加深，则主堆栈有被用穿的凶险。

相同的异常是不允许重入的。因为每个异常都有自己的优先级，并且在异常处理期间，同级或低优先级的异常是要阻塞的，因此对于同一个异常，只有在上次实例的服务例程执行完毕后，方可继续响应新的请求。

四、咬尾中断

当处理器在响应某异常时，如果又发生其它异常，但它们优先级不够高，则被阻塞。那么在当前的异常执行返回后，系统处理悬起的异常时，倘若还是先POP然后又把POP出来的内容PUSH回去，这是白白浪费CPU时间。

五、晚到异常

刚才说的是低优先级或同优先级被阻塞，那更高的优先级呢？

当CM3对某异常的响应序列还处在早期：入栈的阶段，尚未执行其服务例程时，如果此时收到了高优先级异常的请求，则本次入栈就成了为高优先级中断所做的了——入栈后，将执行高优先级异常的服务例程。

中断进入阶段：
- 当发生中断时，处理器首先会将当前的上下文（包括程序计数器PC、程序状态寄存器xPSR等）入栈，以便中断处理完后能够恢复执行。
- 如果当前中断发生时，正在执行的代码还没有完全进入中断服务例程的执行（例如，还没有完成入栈操作），并且此时收到了比当前中断更高优先级的中断请求，那么 高优先级的中断会打断当前中断的入栈过程，立即开始执行高优先级的中断服务例程。
中断嵌套：
- 一旦中断服务例程（ISR）开始执行，即使更高优先级的中断到来，也不会打断当前正在执行的ISR。处理器会等待当前ISR执行完毕，才会开始处理更高优先级的中断。
- 所以，只有在ISR执行完毕后，Cortex-M3才会检查是否有更高优先级的中断需要处理。

六、异常返回值

在进入异常服务程序后， LR的值被自动更新为特殊的EXC_RETURN，这是一个高28位全为1的值，只有[3:0]的值有特殊含义。当异常服务例程把这个值送往PC时，就会启动处理器的中断返回序列。因为LR的值是由CM3自动设置的，所以只要没有特殊需求，就不要改动它。

合法的EXC_RETURN值共3个

主程序在Handler模式下运行，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFF1（主程序被打断前的LR已被自动入栈）。这时的“主程序”，其实更可能是被抢占的服务例程。事实上，在嵌套时，更深层ISR所看到的LR总是0xFFFF_FFF1。

如果主程序在线程模式下运行，并且在使用MSP时被中断，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFF9（主程序被打断前的LR已被自动入栈）。

如果主程序在线程模式下运行，并且在使用PSP时被中断，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFFD（主程序被打断前的LR已被自动入栈）。

七、中断延迟

中断延迟的定义是：从检测到某中断请求，到执行了其服务例程的第一条指令时，已经流逝了的时间。在CM3中，若存储器系统够快，且总线系统允许入栈与取指同时进行，同时该中断可以立即响应，则中断延迟是雷打不动的12周期（满足硬实时所要求的确定性）。在这12个周期里，处理器内部一直开足马力，进行了入栈、取向量、更新寄存器以及服务例程取指的一系列操作。但若存储器太慢以至于引入等待周期，或者还有其它因素，则会引入额外的延时。

当处理咬尾中断时，省去了堆栈操作，因此切入新异常服务例程的耗时可以短至6周期。有些指令需要较多的周期才能完成。它们是除法指令，双字传送指令LDRD/STRD以及多重数据传送指令(LDM/STM)。

对于前两者， CM3将为了保证中断及时响应而取消它们的执行，待返回后重新开始——这牺牲了一点性能，以及某些子程序的一点个人利益，但换来了对意外事件的更快救援。

八、异常相应期间的faults

Faults是运行时发生各种故障的表现，在中断响应期间的故障也不例外。中断响应的每一步骤都可以触发faults。

1、入栈期间

如果在入栈期间引起了总线fault，则本次入栈操作将被强行中止，并且把总线异常悬起或者在允许时立即响应。若除能了总线fault，则此次故障将成为“硬伤”——上访至硬fault。

在总线fault被使能的情况下，如果它的优先级比正在响应的异常高，则抢占之，否则将悬起直到引起fault的异常执行完毕。这种情况被称为“入栈错误” (stacking error)，由总线fault状态寄存器(BFSR，地址： 0xE000_ED29)的STKERR位指示（位偏移： 4）。

如果入栈操作引起MPU访问违例，则产生存储管理fault，并且必须立即执行MemFault服务例程，否则将无条件上访成硬fault。在发生入栈时访问违例时，存储管理fault寄存器(MFSR，地址:0xE000_ED28)中的MSTKERR位（位偏移： 4）被置位，用于指示该fault。

2、出栈期间

如果在中断返回时的出栈期间引起了总线fault，则本次出栈操作将被强行中止，并且把总线异常悬起或立即响应。若除能了总线fault，则此次故障将成为“硬伤”——上访至硬fault。其它情况下，只要总线fault的优先级比当前的高（也包括比当前最深嵌套的优先级高），则可以立即响应。这种情况称为“出栈错误”（unstacking error），由BFSR.3指示（UNSTKERR位）。

类似地，如果是因MPU访问违例造成的MemManage fault，由MFSR.3（MUNSTKERR）指示。且MemManage fault的服务例程必须能立即执行，否则无条件硬fault。

3、取向量期间

若是在取向量期间发生总线fault，则比较罕见，这也是最严重的，因此直接上硬fault （MPU的限制则管不着取向量操作——译者注）。这种情况，由硬fault状态寄存器（HFSR，地址： 0xE000_ED2C）中的VECTTBL位（位偏移： 1）来指示。

4、无效返回时

如果LR中的EXC_RETURN不是合法的值（合法值见表9.4，包括企图返回ARM状态），则引起用法fault。如果用法fault被除能，也上访成硬fault。此时，用法Fault状态寄存器(UFSR,地址： 0xE000_ED2A)中的INVPC位（位偏移： 2），或者是INVSTATE位（位偏移： 1）置位。

标签：优先级,20,入栈,中断,fault,STM32,单片机,服务例程,异常
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STM32单片机芯片与内部20 中断管理

一、中断/异常的响应序列

1、入栈

2、取向量

3、更新寄存器