Cortex-M 中断机制基础

Cortex-M 处理器针对嵌入式实时系统的特点，提供了高效、硬件自动化的中断响应机制，使得中断函数能够直接使用 C 语言编写，而无需传统的汇编"中断入口/出口"代码。

1. 寄存器概览

寄存器	名称	说明
R0--R12	通用寄存器	用于存放数据和中间结果
R13 (SP)	栈指针	指向当前栈顶。Cortex-M 有两种栈指针： • MSP （Main Stack Pointer）：复位后默认使用，用于中断和特权级任务 • PSP（Process Stack Pointer）：用于线程模式的普通任务
R14 (LR)	链接寄存器	存储函数调用的返回地址。当主函数调用子函数时，下一条指令地址会保存到 LR
R15 (PC)	程序计数器	指向即将执行的指令地址

2. C 语言函数调用机制（普通函数）

Cortex-M 遵循 AAPCS（ARM Procedure Call Standard） 调用约定：

• R0--R3：用于传递函数参数和返回值，调用子函数时，这些寄存器的值可以被覆盖。
• R4--R11：被调用者若使用这些寄存器，必须先入栈，返回前再恢复。
• LR（R14）：保存返回地址。

3. 中断调用机制

在某些传统 MCU（如 ARM7）中，中断发生时，CPU不会自动保存 R0--R3，因此中断函数通常需要用汇编手动压栈和出栈，保证现场保护。

而 Cortex-M 通过硬件自动压栈机制，大大简化了中断编写流程。

当中断发生时，硬件会自动将以下寄存器压入当前使用的栈（MSP 或 PSP）中：

• R0--R3
• R12
• LR（调用时的链接寄存器）
• PC（中断触发时的下一条指令地址）
• xPSR（程序状态寄存器）

这一过程称为 自动堆栈（Exception Entry Stacking）。

✅ 因此，在 Cortex-M 上，中断服务函数可以直接用 C 语言编写，无需手工保存现场。

void SysTick_Handler(void) {
    // 这里可以安全地使用 R0--R3
    // 进入中断时硬件已经自动压栈
}

4. 中断返回机制

为了区分"普通函数调用返回"和"中断返回"，Cortex-M 在中断进入时会修改 LR 的值为一个特殊标志（例如 0xFFFFFFF9 或 0xFFFFFFFD），用于指示返回路径。

当中断服务函数执行 BX LR 时，硬件检测到这个特殊 LR 值，就会自动触发 异常返回（Exception Return） 流程：

• 从栈中弹出之前保存的 PC、LR、R0--R3 等寄存器
• 恢复中断前的 CPU 状态
• 跳转回中断前的代码继续执行