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Cortex-M 中断挂起、丢中断与 EXC_RETURN 机制详解

news 2025/10/8 5:55:23

Cortex-M 中断挂起、丢中断与 EXC_RETURN 机制详解

本文基于《ARM Cortex-M 权威指南》第 7 章，结合实际工程经验，深入讲解 Cortex-M 处理器的中断挂起（Pending）机制、丢中断问题的本质，以及异常返回时 LR 寄存器中 EXC_RETURN 的作用。适合嵌入式开发者发表在 CSDN 等技术博客。

一、中断的三种状态

在 Cortex-M 处理器中，每个中断都有 3 个属性：

  1. 使能/禁止（Enable/Disable）：控制中断是否可以被触发
  2. 挂起/未挂起（Pending/Not Pending）：表示中断请求是否已产生但未处理
  3. 活跃/非活跃（Active/Inactive）：表示中断是否正在被处理（ISR 正在执行）
    在这里插入图片描述

1.1 状态组合与转换

这些状态可以有多种组合，例如：

状态组合含义
未挂起 + 非活跃中断空闲，无请求
挂起 + 非活跃中断请求已产生，等待处理
挂起 + 活跃ISR 正在执行，但又产生了新的请求（重复挂起）
非挂起 + 活跃ISR 正在执行，无新请求

1.2 NVIC 寄存器操作

NVIC（嵌套向量中断控制器）提供了多个寄存器来控制这些状态：

  • NVIC_ISERx / NVIC_ICERx：使能/禁止中断
  • NVIC_ISPRx / NVIC_ICPRx：设置/清除挂起状态（软件触发/清除中断）
  • NVIC_IABRx：读取活跃状态（只读）
  • NVIC_IPRx：设置中断优先级

关键特性：

  • 挂起状态位存储在 NVIC 的可编程寄存器中，即使中断被禁止，挂起状态仍会保留。
  • 当 NVIC 确认中断请求后，会引发该中断的挂起状态；即使请求被取消，挂起状态仍会为高。

二、中断挂起（Pending）机制

2.1 什么是挂起？

挂起（Pending） 表示处理器已经接收到中断请求，但由于以下原因尚未处理：

  1. 优先级不足：当前正在处理更高优先级的中断
  2. 全局中断被禁止：通过 PRIMASK / FAULTMASK / BASEPRI 屏蔽
  3. 中断未使能：通过 NVIC 的 NVIC_ICERx 禁止了该中断

2.2 挂起状态的自动管理

根据图 7.14 和 7.15 的时序，挂起状态的管理遵循以下规则：

情况 1：中断请求被清除（图 7.15）

时间线：中断请求 ───┐ ┌─────────────  （外设产生脉冲）└─┘挂起状态 ────┐    ┌────────── （请求确认后置位）└────┘            （软件清除或取消前被清除）处理器模式 ─────────────────── （始终在线程模式，未进入 ISR）

说明：

  • 如果中断请求在处理器执行操作前被清除（例如外设标志被软件清除），挂起状态会自动清除。
  • 不会丢中断，但也不会进入 ISR。
    在这里插入图片描述
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情况 2：中断被抢占（图 7.14 和 7.19）

时间线：中断请求 X ───┐ ┌─────────────  （低优先级中断）└─┘挂起状态 X ────┐   ┌──────┐──── （被确认，处理时又被挂起）└───┘      └────活跃状态 X ────────┐        ┌─── （ISR 执行中）└────────┘处理器模式 ───线程──┐ ISR X ┌─线程── （中断返回后可能再次进入）└───────┘

说明：

  • 若在 ISR 执行期间，相同中断再次产生请求，挂起状态会再次置位。
  • 当前 ISR 返回后，处理器会再次进入该中断（图 7.19 所示）。
  • 不会丢中断，但只会挂起一次（即使产生多次请求）。

三、丢中断问题的本质

3.1 什么情况下会"丢"中断？

核心原理：Cortex-M 的挂起状态是 1 位标志（置位/清除），不是计数器。

图 7.18 所示场景：

时间线：中断脉冲 ───┐ ┐ ┐──────────────  （进入 ISR 前连续 3 次脉冲）└─┘ └─┘挂起状态 ────┐         ┌──────── （只记录"有请求"，不计数）└─────────┘处理器模式 ───线程──┐ ISR ┌─线程─── （只进入一次 ISR）└─────┘

结论：

  • 如果在 ISR 进入之前，同一中断连续产生多次脉冲，只会挂起一次。
  • 处理器只会进入一次 ISR，其余脉冲会被"合并"。
  • 这不是硬件 BUG，而是设计权衡：节省硬件资源（不需要为每个中断维护计数器）。

3.2 如何避免丢中断？

方案 1：使用硬件 FIFO 或计数器（推荐）

示例（UART 接收）：

// 外设配置：启用 FIFO
USART1->CR1 |= USART_CR1_FIFOEN;  // 启用 FIFO（STM32G4 等）void USART1_IRQHandler(void) {while (USART1->ISR & USART_ISR_RXNE) {  // 循环读取 FIFOuint8_t data = USART1->RDR;buffer[write_idx++] = data;}
}

优点：

  • 硬件 FIFO 可以缓存多个数据，避免软件来不及处理。
  • 适用于 UART、SPI、ADC 等外设。
方案 2：在 ISR 中循环处理标志位

示例（GPIO 外部中断）：

volatile uint32_t edge_count = 0;  // 软件计数器void EXTI0_IRQHandler(void) {if (EXTI->PR1 & EXTI_PR1_PIF0) {edge_count++;  // 记录边沿次数EXTI->PR1 = EXTI_PR1_PIF0;  // 清除挂起标志// 检查是否有新的挂起（在清除后立即检查）if (EXTI->PR1 & EXTI_PR1_PIF0) {edge_count++;  // 再次记录EXTI->PR1 = EXTI_PR1_PIF0;}}
}

注意：

  • 这种方法只能部分缓解问题，无法完全避免（如果连续脉冲间隔 < ISR 执行时间）。
方案 3：提高 ISR 优先级 + 减少处理时间
// 设置最高优先级（0 = 最高）
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0);// ISR 中只做最少的工作
void EXTI0_IRQHandler(void) {timestamp[write_idx++] = DWT->CYCCNT;  // 快速记录时间戳EXTI->PR1 = EXTI_PR1_PIF0;             // 清除标志// 复杂处理放到主循环或低优先级任务
}

3.3 典型错误案例

❌ 错误做法（在 ISR 中处理过慢）：

void TIM2_IRQHandler(void) {if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;  // 清除标志// 错误：在 ISR 中执行耗时操作for (int i = 0; i < 1000; i++) {process_data(buffer[i]);  // 可能需要几毫秒}}
}

问题：

  • 如果定时器周期是 1ms，而 ISR 执行需要 5ms，会丢失 4 次中断。

✅ 正确做法：

volatile bool timer_flag = false;void TIM2_IRQHandler(void) {if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;timer_flag = true;  // 设置标志，快速退出}
}int main(void) {while (1) {if (timer_flag) {timer_flag = false;process_data(buffer, 1000);  // 在主循环处理}}
}

四、EXC_RETURN 机制详解

4.1 什么是 EXC_RETURN？

EXC_RETURN 是一个特殊的返回地址，存储在 链接寄存器（LR） 中，用于触发异常返回流程。

关键特性：

  • 当处理器进入异常（中断或其他异常）时，硬件自动将 EXC_RETURN 写入 LR。
  • 当 ISR 执行返回指令（如 BX LR）时，若 LR 的值是 EXC_RETURN，处理器会触发异常返回。

4.2 EXC_RETURN 的编码格式

EXC_RETURN 是一个 32 位值，格式为：0xFxxxxxxx（高 8 位固定为 0xFF）。

表 7.8：常用的 EXC_RETURN 值

返回指令EXC_RETURN 值描述
BX 0xFFFFFFF9返回到线程模式，使用 MSP（主堆栈指针）
POP {PC} 或 POP {…, PC}0xFFFFFFFD返回到线程模式，使用 PSP（进程堆栈指针）
加载（LDR）或多加载（LDM）0xFFFFFFF1返回到处理模式（Handler Mode），使用 MSP
在这里插入图片描述

编码细节（低 4 位）：

EXC_RETURN[3:0]:Bit 3: 0 = 返回到处理模式, 1 = 返回到线程模式Bit 2: 0 = 使用 MSP, 1 = 使用 PSPBit 1: 保留（通常为 0）Bit 0: 0 = 标准栈帧, 1 = 扩展栈帧（带 FPU 寄存器）

示例：

  • 0xFFFFFFF9：二进制 1111 1111 ... 1001 → 返回线程模式，使用 MSP，无 FPU 上下文。
  • 0xFFFFFFED：二进制 1111 1111 ... 1101 → 返回线程模式，使用 PSP，有 FPU 上下文。
    在这里插入图片描述

4.3 异常返回的执行流程

步骤：

  1. 压栈（入口）：异常发生时，硬件自动将寄存器压入栈：

    栈顶（高地址）
┌─────────────┐
│ xPSR        │ <- 程序状态寄存器
│ PC          │ <- 返回地址
│ LR          │ <- 线程模式的 LR
│ R12         │
│ R3          │
│ R2          │
│ R1          │
│ R0          │
└─────────────┘ <- SP（栈指针）

  2. 执行 ISR：处理器进入处理模式，执行中断服务例程。

  3. 出栈（退出）：ISR 执行 BX LR 时，硬件检测到 LR = EXC_RETURN：

    • 从栈中恢复 R0-R3, R12, LR, PC, xPSR。
    • 根据 EXC_RETURN 的编码，切换到线程模式并选择 MSP 或 PSP。
    • 更新 NVIC 寄存器（如活跃状态、挂起状态）。
    • 恢复 PC，继续执行被中断的代码。

4.4 C 语言中的自动处理

关键：在 C 语言编写 ISR 时，编译器会自动处理 EXC_RETURN：

void TIM2_IRQHandler(void) {// 编译器生成的入口代码：压栈 + 保存上下文// 用户代码TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;// 编译器生成的出口代码：// BX LR（LR 中存储的是 EXC_RETURN）
}

生成的汇编（示例）：

TIM2_IRQHandler:; 硬件自动压栈 R0-R3, R12, LR, PC, xPSR; ...用户代码...LDR  R0, =TIM2_BASELDR  R1, [R0, #SR_OFFSET]BIC  R1, R1, #TIM_SR_UIFSTR  R1, [R0, #SR_OFFSET]BX   LR  ; LR = 0xFFFFFFF9，触发异常返回

4.5 手动调用 EXC_RETURN（高级用法）

场景：在 RTOS 或 Bootloader 中，可能需要手动构造异常返回。

示例（切换到用户模式并使用 PSP）：

void switch_to_user_task(void) {// 构造栈帧uint32_t *psp = (uint32_t *)0x20008000;  // 用户栈顶psp -= 8;  // 为栈帧分配空间psp[0] = 0;  // R0psp[1] = 0;  // R1psp[2] = 0;  // R2psp[3] = 0;  // R3psp[4] = 0;  // R12psp[5] = (uint32_t)user_task_exit;  // LR（任务返回地址）psp[6] = (uint32_t)user_task_entry; // PC（任务入口）psp[7] = 0x01000000;  // xPSR（Thumb 位置位）// 设置 PSP__set_PSP((uint32_t)psp);// 切换到线程模式 + PSP__asm volatile ("MOV LR, #0xFFFFFFFD \n"  // EXC_RETURN：线程模式 + PSP"BX  LR              \n"  // 触发异常返回);
}

注意：

  • 这种手动操作通常只在 RTOS 内核或启动代码中使用。
  • 栈帧格式必须严格符合 ARM 规范，否则会触发 HardFault。

五、实战案例：结合挂起与 EXC_RETURN

5.1 场景：在 ISR 中再次产生中断挂起

图 7.19 所示：

volatile uint32_t count = 0;void EXTI0_IRQHandler(void) {count++;EXTI->PR1 = EXTI_PR1_PIF0;  // 清除挂起标志// 模拟耗时操作（此时可能有新的中断请求）for (volatile int i = 0; i < 10000; i++);// ISR 返回后，若有新的挂起，会再次进入此函数
}

时序分析：

时间线：中断请求 ───┐     ┐─────────────  （第一次脉冲）（第二次脉冲）└─────┘挂起状态 ────┐   ┌─┐─────────────  （第一次清除，第二次再次挂起）└───┘ └─────────────处理器模式 ───线程──┐ ISR ┌─┐ ISR ┌─线程──  （连续进入两次）└─────┘ └─────┘

5.2 调试技巧：查看 LR 寄存器

在调试器中断点停在 ISR 时：

(gdb) info registers lr
lr    0xfffffff9

含义：

  • 0xFFFFFFF9 → 返回线程模式 + MSP。
  • 如果看到其他值（如 0xFFFFFFF1），说明是嵌套中断（ISR 中又进入了另一个 ISR）。

六、总结与最佳实践

6.1 关键结论

问题原因解决方案
丢中断挂起状态是 1 位标志，不计数使用硬件 FIFO 或软件循环检测
重复挂起ISR 执行期间再次产生请求在 ISR 中快速清除标志，避免耗时操作
EXC_RETURN 错误手动修改 LR 导致栈帧损坏使用 C 语言编写 ISR，让编译器自动处理

6.2 编码建议

✅ 推荐做法

  1. ISR 中只做必要的工作：

    void UART_IRQHandler(void) {if (UART->ISR & UART_ISR_RXNE) {buffer[write_idx++] = UART->RDR;  // 快速读取}
}

  2. 使用外设的硬件计数器：

    // 定时器捕获多次边沿
TIM1->ARR = 0xFFFF;  // 最大计数
TIM1->CNT = 0;
// 在 ISR 中读取 CNT 即可知道脉冲数

  3. 优先级分层：

    // 高优先级：快速响应
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0);// 低优先级：复杂处理
NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 5);
❌ 避免的陷阱
  1. 在 ISR 中调用阻塞函数（如 printf、HAL_Delay）
  2. 在 ISR 中禁止全局中断时间过长
  3. 手动修改 LR 寄存器（除非你非常清楚后果）

6.3 调试工具推荐

  • DWT（Data Watchpoint and Trace）：测量 ISR 执行时间
  • ETM（Embedded Trace Macrocell）：跟踪异常入口/出口
  • SEGGER SystemView：可视化中断时序

七、参考资料

  1. ARM 官方文档

    • ARM Cortex-M3/M4/M7 Generic User Guide
    • ARMv7-M Architecture Reference Manual

  2. 经典教材

    • 《ARM Cortex-M 权威指南》（Joseph Yiu）第 7 章

  3. ST 应用笔记

    • AN4776: General-purpose timer cookbook for STM32 microcontrollers
    • AN4995: How to improve ADC accuracy in STM32 microcontrollers

  4. 在线资源

    • ARM Community: https://community.arm.com
    • Stack Overflow: [cortex-m] 标签

版权声明：本文基于公开技术资料整理，遵循 CC BY-SA 4.0 协议。

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