CPU中断异常

一、中断、异常

1.什么是中断，什么是异常

• 内核与总线以及外设

• ARM Cortex-M4：32 位高性能嵌入式处理器内核，支持 Thumb-2 指令集，具备 100MHz 主频和可选的浮点运算单元（FPU），适用于需要数字信号处理（DSP）和实时控制的场景，如工业自动化、电机控制等。

• JTAG & SW + ETM：JTAG（联合测试行动小组）和 SW（串行线调试）是调试接口，用于程序下载与硬件调试；ETM（嵌入式跟踪宏单元）则提供指令执行的实时跟踪功能，帮助开发者分析程序运行流程。

• MPU（存储器保护单元）：可选组件，可将存储器划分为多个区域并设置访问权限，防止程序非法访问关键内存，提升系统安全性。

• NVIC（嵌套向量中断控制器）：负责中断的优先级管理与嵌套处理，支持最多 240 个外部中断，能快速响应并执行中断服务程序，保障系统的实时性。

• 总线（D-BUS、I-BUS、S-BUS）：采用哈佛架构的总线设计，D-BUS 用于数据访问，I-BUS 用于指令取址，S-BUS 用于系统外设访问，实现指令和数据的并行传输，提升处理效率。

以上所述（内核）都是由ARM公司提供，其他元件都属于片上外设。 而连接cpu与外设的就是 AHB bus-matrix总线（可以总裁）

• 异常是发生在内核里，打断执行流，一切都是异常。

• 而中断是CPU外部的突发事件（比如各种片上总线，AHB\APB等）促使内部发生异常的，叫做中断。它先找到NVIC，NVIC再造成cpu内部异常

• CPU内部的异常时和CPU同步的，但是外部的中断，比如串口，是和COU异步的。

2.同步异常和异步异常

一、同步异常

• 触发时机 ：与指令 执行同步，即异常在指令执行过程中或执行完毕时立即触发。

• 触发源 ：主要来自CPU 内部 或程序行为，如：

  • 图中CPU 的 "exception or trap"：例如除法溢出、未定义指令、程序访问越界（需 MPU 配合检测）等，是程序执行逻辑导致的异常。

  • 图中MPU 的 "fault"：存储器保护单元检测到非法内存访问（如权限不足、地址越界）时，同步触发异常。

• 处理逻辑：通常由操作系统或运行时环境捕获后，进行错误修复、程序调试或异常终止等处理。

二、异步异常

• 触发时机 ：与指令 执行异步，即异常可在任意时刻（与当前执行的指令无关）由外部事件触发。

• 触发源 ：主要来自外部硬件，如图中的 **"Hardware interrupts"**（UART、IIC、SPI 等外设产生的中断），典型场景如：

  • 外设数据收发完成（UART 接收中断）。

  • 定时器超时（如系统调度时钟）。

  • 外部中断引脚触发（如按键输入）。

• 处理逻辑 ：操作系统通过中断控制器（如 NVIC）管理优先级，触发对应的中断服务程序（ISR），完成数据处理、事件响应等操作。

3.NVIC控制器

• 内核外设地址

一、NVIC 寄存器访问权限说明

• 权限分级 ：ARM Cortex-M4 采用 ** 特权级（Privileged Mode）和用户级（User Mode）** 的权限架构：

  • 多数 NVIC 寄存器仅能在特权级下访问，防止用户程序（非特权）非法修改中断配置，保障系统稳定性。

  • 少数寄存器（如NVIC_STIR）允许用户级访问，为特定场景下的用户程序触发中断提供了灵活度。

• 参考依据：《ARM® Cortex®-M4 Devices Generic User Guide》《Cortex®-M4 Technical Reference Manual》中 "NVIC registers and privilege access" 章节详细列举了各寄存器的访问权限，是开发中权限管理的权威依据。

4.中断向量表的圆整

一、定义：地址对齐的要求

中断向量表是存储中断服务程序 入口地址 的连续内存区域，"圆整" 指将其起始地址对齐到特定的字节边界 （如 256 字节、1024 字节等），本质是地址对齐（Address Alignment）。

假设内部异常中断加上外部中断有103个，每个占四字节，则需要412个字节，圆整就需要2的整次幂，则需要取512字节

二、中断向量表

1、向量表是什么

向量的表格，向量实际上表示的是一个地址，向量表包含了各种异常处理器异常处理的表格

（补充知识：函数是有地址的，函数名就是他的地址）

2、为什么需要向量表

1. 加速中断响应当硬件（如键盘、定时器、网卡）触发中断时，CPU 需要立即知道该执行哪个处理程序（中断服务程序，ISR）。如果没有向量表，CPU 可能需要逐个查询所有硬件设备 "是谁触发了中断"，效率极低（类似 "大海捞针"）。而向量表通过 **"中断号→地址" 的直接映射 **，让 CPU 只需用中断号作为索引，直接从表中读取处理程序的入口地址，瞬间定位目标代码，大幅缩短响应时间（这也是 "向量" 一词的由来 ------ 像 "箭头" 一样直接指向目标）。

2. 统一硬件与软件的交互标准不同硬件设备的中断触发逻辑不同（比如键盘中断和硬盘中断的触发信号完全不同），但向量表为所有中断源分配了唯一的 "中断号"（索引），软件只需根据中断号处理，无需关心硬件细节。例如，x86 架构中 "0 号中断" 固定对应 "除零异常"，"1 号中断" 对应 "调试异常"，这种标准化让操作系统和应用程序能统一处理各类事件。

3、向量表储存在哪

这段链接器脚本通过以下配置揭示了中断向量表的存储位置：

• 脚本中明确将中断向量表（KEEP(*(.isr_vector))）归属于 .text 代码段。

• 同时指定 .text 段存储在 FLASH 中（} > FLASH）。

• 按照设计规范，向量表必须位于程序开始的地方，就像上表所示，代码一开始就要执行它

根据这张 ARM Cortex-M 系列的中断向量表，

复位后会执行以下流程：

1. 初始化栈指针 ：CPU 首先读取向量表第一个条目__initial_sp，将栈指针（SP）设置到栈顶地址，为程序运行分配栈空间。

2. 执行复位处理函数 ：接着跳转到第二个条目Reset_Handler，该函数会完成系统初始化（如硬件外设、时钟配置、全局变量初始化等），最终跳转到main函数，启动应用程序逻辑