ARM Cortex-M 向量表详解

ARM Cortex-M 向量表详解

一、什么是向量表？

向量表是一个存储在代码存储器（通常是 Flash）起始区域的字对齐数组。其中的每一个字（32位数据）都代表一个特定的地址，称为“向量”。

当处理器发生异常（如复位、中断、系统调用）时，内核硬件会自动查询这个表，并根据异常类型跳转到对应的地址执行程序。这是 Cortex-M 处理器处理异常和启动的基石。

二、向量表的结构与核心内容

下表列出了 Cortex-M 向量表的标准布局。其起始地址默认为 0x00000000，但可通过 VTOR（向量表偏移寄存器）重定位。

地址偏移量	向量名称	简要说明	重要性/备注
0x00000000	初始主栈指针 (MSP)	硬件加载到主栈指针寄存器的初始值。	至关重要。决定了程序启动后栈的起始位置（通常指向内部 RAM 顶端）。
0x00000004	复位向量 (Reset_Handler)	程序执行的入口点。芯片复位后，PC 指针被设置为此地址。	至关重要。包含 main() 函数调用的起点，负责初始化 C 运行时环境。
0x00000008	非屏蔽中断 (NMI_Handler)	不可被屏蔽的中断处理函数地址。	高优先级异常，用于处理严重硬件故障。
0x0000000C	硬错误 (HardFault_Handler)	所有严重错误的默认处理函数。	重要。用于调试，如内存访问违规、非法指令等。
0x00000010	内存管理错误 (MemManage_Handler)	MPU 访问违规触发的异常（Cortex-M3/4/7 等）。	可选，但启用 MPU 后非常重要。
0x00000014	总线错误 (BusFault_Handler)	总线访问错误（如访问不存在的地址）。	可选，用于高级错误诊断。
0x00000018	用法错误 (UsageFault_Handler)	未定义指令或非法状态等错误。	可选，用于高级错误诊断。
0x0000001C	保留
0x00000020	保留
0x00000024	保留
0x00000028	SVCall 异常 (SVC_Handler)	由 SVC 指令触发的系统调用。	重要。用于实现操作系统（如 FreeRTOS）的系统 API。
0x0000002C	调试监控 (DebugMon_Handler)	调试监控异常。	主要用于调试器。
0x00000030	保留
0x00000034	PendSV 异常 (PendSV_Handler)	可挂起的系统服务中断。	极其重要。常用于操作系统（如 FreeRTOS）的上下文切换。
0x00000038	SysTick 异常 (SysTick_Handler)	系统定时器中断。	极其重要。为操作系统提供心跳时钟，也可用于裸机程序延时。
0x0000003C 及以后	外设中断 (IRQ Handlers)	如 EXTI0_IRQHandler, TIM2_IRQHandler, USART1_IRQHandler 等。	重要。数量由芯片型号决定，是用户处理外部事件的关键。

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三、关键概念深入解析

1. __initial_sp（初始栈指针）详解

• 值从哪里来？
  __initial_sp 的值由链接器（如 ARM GCC 的链接脚本 *.ld 文件）计算得出，通常被设置为内部 RAM 的末地址+1。例如，如果 RAM 地址范围是 0x20000000 ~ 0x20007FFF（32KB），则 __initial_sp 通常为 0x20008000。

• 存储在哪里？
  链接器会将计算好的 __initial_sp 值放置在最终程序映像的最开头，即物理地址 0x08000000（Flash 起始地址）。

• 处理器如何读取？

  • Cortex-M 处理器硬件设计为：上电或复位后，首先从逻辑地址 0x00000000 读取第一个字作为 MSP 初始值，从逻辑地址 0x00000004 读取第二个字作为复位向量。
  • 在 STM32 等芯片中，通过启动模式配置（如 BOOT 引脚），逻辑地址 0x00000000 在启动阶段会被重映射到某个物理存储器（如主 Flash 0x08000000、系统存储器或 SRAM）。
  • 结论：__initial_sp 的值存储在 Flash 的 0x08000000 处，但处理器在启动时通过地址重映射，从 0x00000000 这个“窗口”读取到它。

2. 向量表偏移寄存器 (VTOR)

• 作用：允许软件将向量表从默认的地址（如 0x00000000）重定位到 RAM 或其他 Flash 区域。
• 应用场景：
  1. Bootloader 程序：Bootloader 位于 0x08000000，其向量表也在此。当跳转到用户应用程序（如位于 0x08010000）时，需要先将 VTOR 设置为 0x08010000，以便中断能正确跳转到用户程序的中断服务函数。
  2. 动态修改中断函数：将向量表复制到 RAM 中，并修改 VTOR 指向 RAM。这样可以在运行时动态更改某个中断的服务函数，实现灵活的插件机制。

3. 中断优先级 (NVIC) 与向量表的关系

• 关系：向量表存储的是中断服务函数（ISR）的地址，而 NVIC 管理的是这些中断的优先级和使能状态。
• 在 STM32CubeMX 工程中的体现：
  • 向量表内容：在 Startup/startup_stm32fxxxx.s 汇编文件中定义。例如：

    g_pfnVectors:.word  _estack                   /* 0x00000000: __initial_sp */.word  Reset_Handler             /* 0x00000004: Reset Vector */.word  NMI_Handler               /* 0x00000008: NMI */.word  HardFault_Handler         /* 0x0000000C: Hard Fault */// ... 其他向量.word  TIM2_IRQHandler          /* 某个外设中断向量 */
    

  • NVIC 配置（优先级和使能）：
    • 优先级设置：在 main.c 的 MX_NVIC_Init() 函数中，通过 HAL_NVIC_SetPriority(IRQn, preemptPriority, subPriority) 为每个中断源设置优先级。
    • 中断使能：在 stm32fxxxx_hal_msp.c 的各外设 MspInit 函数中，通过 HAL_NVIC_EnableIRQ(IRQn) 使能中断。

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四、总结要点

1. 向量表是地址表：它存的是函数指针，不是代码本身。
2. 前两个向量是硬性要求：MSP初始值 和 复位向量 是芯片能正常启动的绝对必要条件。
3. 地址是逻辑映射的：0x00000000 是硬件的“入口”，其背后映射的物理存储器由芯片的启动配置决定。
4. 向量表是可移动的：通过 VTOR 寄存器，可以灵活地将向量表放置在需要的位置，这是高级应用（如 Bootloader、OS）的基础。
5. 向量表与 NVIC 分工明确：向量表负责“去哪儿执行”（地址），NVIC 负责“何时执行”以及“谁先执行”（优先级和使能）。