MCU如何从向量表到中断服务

中断处理的核心是中断向量表（IVT），它是一个存储中断服务例程（ISR）地址的内存结构。当中断发生时，MCU通过IVT找到对应的ISR地址并跳转执行。

本文将深入探讨MCU（以ARM Cortex-M架构为例）如何从向量表过渡到中断服务。

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中断向量表

中断向量表（IVT）是一个存储中断和异常处理程序地址的表格，位于MCU的内存中。在ARM Cortex-M处理器中，IVT通常从地址0x00000000开始，包含初始堆栈指针和各种异常处理程序的地址。

每个表项占用4字节，存储一个32位地址，指向对应的ISR或异常处理函数。

IVT的作用是提供一种快速查找机制，使MCU在中断发生时能够迅速定位并执行相应的处理程序。例如，当定时器中断触发时，MCU会根据中断号从IVT中获取ISR地址。

以下是一个简化的IVT结构示例：

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IVT通常存储在闪存（Flash）中，但可以通过向量表偏移寄存器（VTOR）将其重定位到其他内存区域（如SRAM），以支持动态更新或引导加载程序（Bootloader）场景。

ARM Cortex-M处理器通过嵌套向量中断控制器（NVIC）管理中断。以下是中断处理的具体步骤：

• 完成当前指令：处理器首先完成当前正在执行的指令，除非该指令是可中断继续指令（interrupt-continuable instruction）。这确保了指令的原子性。
• 保存上下文：处理器自动将当前程序的上下文保存到堆栈上，包括寄存器R0-R3、R12、链接寄存器（LR）、程序计数器（PC）和程序状态寄存器（xPSR）。这些寄存器共占用32字节（每个寄存器4字节）。对于使用浮点单元（FPU）的系统，FPU寄存器也可能被保存。
• 读取中断号：NVIC从中断程序状态寄存器（IPSR）获取中断号（异常号），该中断号用于索引IVT。
• 获取ISR地址：使用中断号N，处理器计算IVT中的地址（4 × N），从中读取ISR的起始地址。例如，SysTick中断（异常号15）的地址位于0x0000003C。
• 更新寄存器：处理器更新堆栈指针（SP）、链接寄存器（LR）和程序计数器（PC）。LR被设置为特殊值（如0xFFFFFFF9），指示返回模式（例如，返回线程模式并使用主堆栈指针）。
• 执行ISR：处理器跳转到ISR地址并执行中断处理程序。ISR通常会清除中断标志并执行必要的操作。
• 异常返回：ISR完成后，处理器从堆栈恢复保存的上下文，并使用LR中的特殊值返回到被中断的程序，继续执行。

向量表通常在启动代码中定义，由工具链提供或由开发者编写。在C语言中，向量表可以定义为一个函数指针数组。例如：

void (* const vectors[])(void) __attribute__((section(".vectors"))) = {
    (void (*)(void)) &_stack_top, // 初始堆栈指针
    Reset_Handler,                // 复位处理程序
    NMI_Handler,                  // NMI处理程序
    HardFault_Handler,            // 硬故障处理程序
    // ... 其他处理程序
    SysTick_Handler               // SysTick处理程序
};

其中：

• _stack_top由链接脚本定义，表示堆栈顶部地址。
• __attribute__((section(".vectors")))确保数组被放置在链接脚本指定的.vectors段，通常映射到0x00000000。
• 每个处理程序（如Reset_Handler）是一个函数，定义在其他代码文件中。

在汇编语言中，向量表可能如下定义（以Keil MDK的startup.s为例）：

    .section .vectors
    .word _estack
    .word Reset_Handler
    .word NMI_Handler
    .word HardFault_Handler
    // ...
    .word SysTick_Handler

链接脚本确保.vectors段位于正确地址。开发者通常无需直接修改向量表，只需实现对应的ISR函数。

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编写中断服务例程

ISR是处理特定中断的函数，必须高效且可靠。以下是编写ISR的最佳实践：

• 保持简洁：ISR应尽量短，避免复杂计算或阻塞调用。
• 清除中断标志：确保清除触发中断的标志，以防止重复触发。
• 使用volatile变量：防止编译器优化导致变量访问错误。
• 避免嵌套复杂逻辑：如果需要复杂处理，可将任务标记为待处理并在主循环中执行。

以下是一个简单的定时器中断ISR示例：

void TIM2_IRQHandler(void) {
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF; // 清除更新中断标志
    // 执行操作，例如切换LED状态
}

ARM Cortex-M通过NVIC支持嵌套中断，允许高优先级中断抢占低优先级中断。优先级通过NVIC的优先级寄存器（IPR）配置，值越小优先级越高。例如，Cortex-M3/M4支持最多256个优先级级别，但具体实现可能只使用部分位（如4位，支持16个级别）。

开发者可以通过以下方式管理中断优先级：

• 使用NVIC函数（如NVIC_SetPriority(IRQn, priority)）设置优先级。
• 通过__enable_irq()和__disable_irq()全局启用或禁用中断。
• 使用BASEPRI寄存器屏蔽低于某优先级的中断（在Cortex-M3/M4中支持）。

嵌套中断的典型场景是高优先级中断（如紧急传感器触发）打断低优先级中断（如定时器任务），确保关键任务优先执行。

从向量表到中断服务的过程是嵌入式系统中中断管理的核心。通过理解IVT的结构、中断处理流程以及如何配置和编写ISR，开发者可以设计高效、实时的嵌入式系统。ARM Cortex-M的NVIC和硬件优化（如尾链式处理）进一步降低了中断延迟，提高了系统性能。

虽然本文以ARM Cortex-M为例，但其他MCU（如8051）也有类似的中断处理机制，尽管向量表地址和异常号可能不同。开发者应参考具体MCU的数据手册和工具链文档以获取详细信息。