代码收藏家技术教程 2023-09-28

裸机开发中断向量表解析及设置中断向量偏移原因

之前的LED驱动不存在中断，也就不包含中断的初始化。如果程序包含了中断，我们应还需要初始化哪些内容？要解决这个问题，我们需要先了解一个中断系统包含了哪些内容。

① 中断向量表：描述中断对应的中断服务函数，保存在程序开始运行的地方，默认是0x00000000

② 中断控制器（NVIC、GIC）：中断系统的管理机构

③ 中断使能：某个外设的中断使能（要使用某个外设的中断，要先使能这个外设的中断）

④ 中断服务函数：当中断产生时，中断服务函数就会被调用（中断处理逻辑都在中断服务函数中）

一、中断向量表

1、什么是中断向量表？

2、中断类型

二、为什么要设置中断向量表偏移

1、原因分析

2、如何确定偏移量

3、如何设置

三、汇编编写中断向量表框架

一、中断向量表

1、什么是中断向量表？

中断向量表的作用是描述中断对应的中断服务函数。保存在程序开始运行的地方，默认是0x00000000，可以通过设置中断向量偏移，来改变中断向量表的位置。

Cortex-M 的中断向量表中列举出了所有的中断，每一个中断对应一个中断服务函数；而 Cortex-A 的中断向量表则是将中断分为了 7 类

某个中断发生时，先判断属于哪一类

然后，去中断向量表找对应类的中断服务函数

随后，执行对应的中断服务函数

最后，回到程序暂停的下一个位置

中断向量表所写的就是不同中断类型所对应的中断服务函数地址

2、中断类型

中断大致可以分为七种类型，不同的中断类型对应着一种 CPU 工作模式，当中断产生时，CPU 会先切换到对应的模式，然后再处理中断。其中我们最常用的是 Reset 和 IRQ 中断。

Reset：CPU 复位以后就会进入复位中断，我们可以在复位中断服务函数里面做一些初始化工作，比如初始化 SP 指针、DDR 等

Undefined Instruction：如果指令不能识别的话就会产生此中断

SWI：Linux 的系统调用会用 SWI 指令来引起软中断，通过软中断来陷入到内核空间

Prefetch Abort：预取指令的出错的时候会产生此中断

Data Abort：访问数据出错的时候会产生此中断

IRQ：外设中断都会引起此中断的发生

FIQ：快速中断，如果需要快速处理中断的话就可以使用此中断

偏移地址	中断类型	中断模式
0x00	复位中断(Reset)	SVC
0x04	未定义指令中断(Undefined Instruction)	Undef
0x08	软中断(Software Interrupt,SWI)	SVC
0x0C	指令预取中止中断(Prefetch Abort)	Abort
0x10	数据访问中止中断(Data Abort)	Abort
0x14	保留(Reserved)	–
0x18	IRQ 中断(IRQ Interrupt)	IRQ
0x1C	FIQ 中断(FIQ Interrupt)	FIQ

注意：因为中断向量表是放在程序运行的起始位置，所以这里的偏移位置是相对于起始位置而言的

二、为什么要设置中断向量表偏移

1、原因分析

中断向量表保存在程序运行的起始位置，默认是 0x00000000。根据参考手册中的内存映射表我们发现， 0x00000000 的位置保存了 boot rom，也就是设备上电启动的相关内容，为了不占用其他部分的内容，我们决定对中断向量表施加一个偏移。

中断控制器（GIC）可以配置中断向量表的偏移位置。裸机开发的环境下，我一般在Reset 中断服务函数中手动指定中断向量表的位置；在有 OS 的环境下，OS 会初始化中断控制器，并将中断向量表放置在一个没有被保留的地址空间中。

2、如何确定偏移量

考虑到 RAM 和 DDR 的范围，我们一般将程序保存在 DDR 中。

RAM：CPU内部的一段可用内存，imx6ull内部RAM的大小为128K（0X900000~0X91FFFF）

DDR：CPU外的存储器，封装在SOC 中，DDR的大小为 256M 或者 512M（虽然看着有2048，但是受到总线约束，CPU可访问的大小是256M）

DDR 的范围较广，考虑到后续的系统移植，所以使用的是DDR。假设中断向量表设为 0x83000000，其实就是在告诉CPU，中断发生时，到 0x83000000 的位置去找对应的中断服务函数。

其实我们也可以将中断向量表和存储地址都设置成 0x87800000

3、如何设置

通过汇编设置

如果是汇编形式，建议放在 Reset 中断服务函数中，因为设备上电就会触发 Reset 中断，然后去执行 Reset 中断服务函数。

/* 复位中断服务函数 */ 
Reset_Handler:
    /* ... */

    ldr r0, =0x87800000         /* 设置中断向量表的偏移 */
	dsb
	isb
	mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0
	dsb
	isb

    /* ... */

调用 C 函数

我们可以直接调用 C 函数来设置中断向量表，只要在中断发生之前设置即可。一般放在中断初始化的函数中。

/* 设置中断向量表偏移 */
__set_VBAR((uint32_t)0x87800000);

三、汇编编写中断向量表框架

1、局部流程

中断向量表保存在程序运行的起始位置，默认是 0x00000000。其实就是在告诉内核，每一个中断对应的中断服务函数位置在哪。假设我们要设置 Reset 中断的服务函数地址。

.global _start
 
_start:
    /* 把 Reset_Handler 的地址保存到 pc 指向的位置 */ 
    ldr pc, =Reset_Handler          


/* 复位中断服务函数 */ 
Reset_Handler:
    b Reset_Handler      @ 暂时先死循环，后面再修改

pc 是程序计数器，用于保存下一次要执行的指令地址。默认情况下，程序从 0x00000000 开始执行，即 pc 最开始拿到的地址就是 0x00000000，这里其实就把 Reset_Handler 的地址保存到了 0x00000000 的位置。

随后，pc 会指向下一个地址，即 0x00000004。

2、整体框架

其他中断也是类似的，我们借助pc寄存器的地址自动递增的特性，逐个设置各个中断服务函数的地址。至于具体实现，这里有 Reset 中断和 IRQ 中断的汇编部分。

① Reset中断：仅包含汇编部分，因为一般只有在复位或者刚上电的时候才会触发，没有需要特意实现的逻辑。Reset 中断服务函数（汇编部分）

② IRQ 中断：包含汇编部分和 C代码部分。

汇编部分用于初始化环境

C 代码部分用于逻辑实现

_start:
    ldr pc, =Reset_Handler          /* 复位中断 */ 
    ldr pc, =Undefined_Handler      /* 未定义指令中断 */
    ldr pc, =SVC_Handler            /* SVC(Supervisor)中断*/
    ldr pc, =PrefAbort_Handler      /* 预取终止中断 */
    ldr pc, =DataAbort_Handler      /* 数据终止中断 */
    ldr pc, =NotUsed_Handler        /* 保留中断 */
    ldr pc, =IRQ_Handler            /* IRQ 中断 */
    ldr pc, =FIQ_Handler            /* FIQ(快速中断) */

/* 复位中断 */ 
Reset_Handler:
    b Reset_Handler

/* 未定义指令中断 */ 
Undefined_Handler:
    b Undefined_Handler

/* SVC */ 
SVC_Handler:
    b SVC_Handler

/* 预取终止中断 */ 
PrefAbort_Handler:
    b PrefAbort_Handler

/* 数据终止中断 */ 
DataAbort_Handler:
    b DataAbort_Handler    

/* 保留中断 */ 
NotUsed_Handler:
    b NotUsed_Handler 

/* IRQ 中断 */ 
IRQ_Handler:
    b IRQ_Handler   

/* FIQ(快速中断) */ 
FIQ_Handler:
    b FIQ_Handler