ARM单片机中断的各类问题 – 哈冬猪的小站

引子

还记得在给WS2812B写驱动时，最开始采用的方式是使用DMA向定时器传输数据以满足WS2812B单极性归零码的传输要求，但是实际运行时却发现第一个灯珠的颜色出现了异常，当时真的耽搁了很久，最后也没有找出来是为什么，现在我想就很可能是在配置DMA时发生了中断引起了许多不可控的因素。

中断概述

简单来说，中断及其外围部件包含了中断向量表（用于储存中断的入口地址），NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器，用于控制中断使能、优先级等），如果是由外部触发的话还包括EXIT（Extended interrupt and event controller，外部中断事件控制器，用于外部触发中断，这是以STM32为例，其他厂商单片机可能并不是这样设计）。

中断向量表

中断向量表在对应的位置存放中断函数的地址（32位），因此中断向量表其实就相当于一个32位的数组，在启动文件进入主函数之前就需要将中断向量表初始化，并且中断向量表是从0x00000000开始存放的：

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset

                AREA    RESET, DATA, READONLY
                EXPORT  __Vectors
                EXPORT  __Vectors_End
                EXPORT  __Vectors_Size

__Vectors       DCD     __initial_sp              ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler             ; Reset Handler
                DCD     NMI_Handler               ; NMI Handler
                DCD     HardFault_Handler         ; Hard Fault Handler
                DCD     MemManage_Handler         ; MPU Fault Handler
                DCD     BusFault_Handler          ; Bus Fault Handler
                DCD     UsageFault_Handler        ; Usage Fault Handler
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     SVC_Handler               ; SVCall Handler
                DCD     DebugMon_Handler          ; Debug Monitor Handler
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     PendSV_Handler            ; PendSV Handler
                DCD     SysTick_Handler           ; SysTick Handler

MSP

其中在0x00000000处第一个存放的不是任何中断入口，而是__initial_sp（MSP，即SP寄存器的初始值），这个标号在之前定义栈（stack）时出现，代表着栈顶，即栈结束的地址（栈由高向低生长）：

; Stack Configuration
; Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>

Stack_Size      EQU     0x00002000

                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp

复位中断

第二个地址是复位中断（软或硬）的入口函数，这个复位中断函数在启动文件中已经有定义（仅为若定义，可以再他处重新定义），这个函数就做了两件事，一件是初始化时钟等（SystemInit），并进入主函数（__main）：

Reset_Handler   PROC
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
                IMPORT  SystemInit
                IMPORT  __main

而实际在任何一次的启动过程中都是先将第一个地址装入SP寄存器，然后执行第二个地址的函数（实际将该地址装入PC寄存器），从而实现系统启动。需要注意的是，这里虽然叫复位中断但是实际表现并不像普通的中断，而更类似于普通运行程序，具体可以看硬汉嵌入式论坛 – 【不是问题的问题】为什么复位中断服务程序里面直接调用的main函数，难道所有程序都在复位中断里面执行的？。

不可屏蔽中断NMI

随后是NMI（不可屏蔽中断）是由于时钟或者Flash错误等引起的。

Fault中断

HardFault

HardFault是所有类型的错误，这个错误通常是由于内存溢出引起的，一般修改栈的大小即可，也可能是指针越界，未对齐等问题引发。硬 fault 状态寄存器(HFSR)，地址：0xE000ED2C。

MemManage

MemManage是储存器错误引发中断，一般因为某次访问触犯了 MPU 设置的保护规范。另外，某些非法访问，例如，在不可执行的存储器区域试图取指，也会触发一个MemManage fault，存储器管理 fault 状态寄存器(MFSR)，地址：0xE000ED28。

BusFault

BusFault是总线错误中断，例如预取指令失败、访问储存器失败。总线 fault 状态寄存器(BFSR)，地址：0xE000ED29。

UsageFault

UsageFault一般是由于使用未定义的指令或非法状态引起，用法 fault 状态寄存器(UFSR)，地址：0xE000ED2A。

其他系统中断

剩下的是SVC（SWI调用的系统系统服务），DebugMon（调试监控器），PendSV（可挂起的系统服务），SysTick（系统滴答定时器，用于提供一个基本定时器），剩下的部分就都属于外设中断了，总结如下：

NVIC

NVIC是内核的一个外设，通常通常并不会完整实现，NVIC主要功能是使能或禁用中断，悬起与解悬，设置中断优先级。在发生中断时会优先执行高优先级的中断程序，若优先级相同则比较硬件中断编号，编号小的优先执行。并且在中断过程中不能被同级或更低优先级的中断打断，此时新产生的中断被悬起。

EXIT

EXTI管理中断/事件线。每个中断/事件线都对应有一个边沿检测器，可以实现输入信号的上升沿检测和下降沿的检测。它不仅可以产生中断，也可以产生事件（比如DMA传输，ADC采样）。中断/事件线一般包含外部引脚、RTC的功能、以太网、USB的唤醒等。一般需要先连接到EXIT，再配置对应的EXIT。

MDK中Fault标志位查看

MDK提供了一个方便的方法来查看Fault的各个标志位，使用方法为在调试时打开菜单栏的Peripherals -> Core Peripherals -> Fault Reports。

各标志位的意义也可以在ARM的手册中找到。

中断屏蔽

__disable_irq()与__enable_irq()或__set_PRIMASK(1)与__set_PRIMASK(0)（cmsis_armcc.h）可以控制禁用中断和使能中断，在执行临界操作时需要加上防止因为中断导致配置错误等。

/**
  \brief   Set Priority Mask
  \details Assigns the given value to the Priority Mask Register.
  \param [in]    priMask  Priority Mask
 */
__STATIC_INLINE void __set_PRIMASK(uint32_t priMask)
{
  register uint32_t __regPriMask         __ASM("primask");
  __regPriMask = (priMask);
}

实际上是操控中断屏蔽特殊寄存器PRIMASK来实现的，PRIMASK用于禁止除复位、NMI和HardFalut外的所有异常和中断。实际也可以使用CPS指令：

CPSIE i ;清除PRIMASK（使能中断）
CPSID i ;设置PRIMASK（禁止中断）

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