【ARM】Cortex-M3 异常系统

CM3内核正常工作时是按照指令顺序执行的，当发生异常或者中断时，将打断正在执行的动作，进而执行异常或中断的服务程序。

异常系统具有保障CM3工作的安全性和健壮性的作用。

1 异常类型

异常分为复位(Reset)，不可屏蔽中断(NMI)，硬件错误(HardFault)，存储管理错误(MemManageFault)，总线错误((BusFault))，用法错误(UsageFault)，系统调用(SVC)，可悬挂系统调用(PendSV)，系统节拍(SysTick)等。

2 优先级的定义

当异常存在多个时，就会出现竞争，进而出现优先级的概念。当不同的异常发生时，究竟该响应哪一个？这是由优先级来决定的。

在 CM3 中，优先级对于异常来说很关键的，它会影响一个异常是否能被响应，以及何时可以响应。优先级的数值越小，则优先级越高。 CM3 支持中断嵌套，使得高优先级异常会抢占(preempt)低优先级异常。有 3 个系统异常：复位， NMI 以及硬 fault，它们有固定的优先级，并且它们的优先级号是负数，从而高于所有其它异常。所有其它异常的优先级则都

是可编程的（但不能编程为负数）。

原则上，CM3可支持256级的可编程优先级，但是芯片公司考虑到成本以及精简设计，只会支持少于256的优先级，比如8，16，32等。

以下的3位(MSB高位对齐)表示，可以支持8级优先级：

但是，优先级的规定并不是只用“抢占优先级”来定义，为了使抢占机能更加可控，CM3还把256级优先级分成高低两段，分别是抢占优先级和亚优先级。二者占的位数不同，也就是所谓的优先级分组。

抢占优先级最多有7位，所以最多128个抢占级。

在计算抢占优先级和亚优先级的有效位数时，必须先求出下列值：

1 芯片实际使用了多少位来表达优先级.

2 优先级组是如何划分的。

举个例子，如果只使用 3 个位来表达优先级（[7:5]），并且优先级组的值是 5（从比特 5

处分组），则你得到 4 级抢占优先级，且在每个抢占优先级的内部有 2 个亚优先级。

通过这样的优先级机制，可以对异常或者中断进行优先级编程(手动指定优先级)。

3 向量表

当发生了异常并且要响应它时， CM3 需要定位其处理例程的入口地址(函数入口地址)。这些入口地址存储在所谓的“（异常）向量表”中。CM3 认为该表位于零地址处，且各向量占用 4 字节，因此每个表项占用 4 字节。

4 Fault类异常

有若干个系统异常专用于 fault 处理。 CM3 中的 Faults 可分为以下几类：

1 总线 faults (取指出错，POP/PUSH错误)

2 存储器管理 faults (访问MPU范围外的地址，往只读区域写数据，用户级访问特权级地址)

3 用法 faults （未定义指令，除数为0）

4 硬 faults （前三者错误的服务例程无法执行时，变为HardFault）

5 SVC和PendSV

操作系统中的任务调度，用户/内核态的上下文切换，可以通过SVC和PendSV异常来实现。

SVC（系统服务调用，亦简称系统调用）和 PendSV（可悬起系统调用），它们多用于在操作系统之上的软件开发中。 SVC 用于产生系统函数的调用请求。例如，操作系统不让用户程序直接访问硬件，而是通过提供一些系统服务函数，用户程序使用 SVC 发出对系统服务函数的呼叫请求，以这种方法调用它们来间接访问硬件。因此，当用户程序想要控制特定的硬件时，它就会产生一个 SVC 异常，然后操作系统提供的 SVC 异常服务例程得到执行，它再调用相关的操作系统函数，后者完成用户程序请求的服务。

这种“提出要求——得到满足”的方式，很好、很强大、很方便、很灵活、很能可持续发展。首先，它使用户程序从控制硬件的繁文缛节中解脱出来，而是由 OS 负责控制具体的硬件。第二， OS 的代码可以经过充分的测试，从而能使系统更加健壮和可靠。第三，它使用户程序无需在特权级下执行，用户程序无需承担因误操作而瘫痪整个系统的风险。第四，通过 SVC 的机制，还让用户程序变得与硬件无关，因此在开发应用程序时无需了解硬件的操作细节，从而简化了开发的难度和繁琐度，并且使应用程序跨硬件平台移植成为可能。开发应用程序唯一需要知道的就是操作系统提供的应用编程接口（API），并且了解各个请求代号和参数表，然后就可以使用 SVC 来提出要求。

另一个相关的异常是 PendSV（可悬起的系统调用），它和 SVC 协同使用。一方面， SVC异常是必须立即得到响应的（若因优先级不比当前正处理的高， 或是其它原因使之无法立即响应， 将上访成硬 fault——译者注）， 应用程序执行 SVC 时都是希望所需的请求立即得到响应。另一方面， PendSV 则不同，它是可以像普通的中断一样被悬起的（不像 SVC 那样会上访）。 OS 可以利用它“缓期执行” 一个异常——直到其它重要的任务完成后才执行动作。 悬起 PendSV 的方法是： 手工往 NVIC 的 PendSV 悬起寄存器中写 1。 悬起后， 如果优先级不够高，则将缓期等待执行。

PendSV 的典型使用场合是在上下文切换时（在不同任务之间切换）。 例如， 一个系统中有两个就绪的任务，上下文切换被触发的场合可以是：

1 执行一个系统调用

2 系统滴答定时器（SYSTICK）中断，（轮转调度中需要）

任务中正在响应中断时(IRQ)，是不能进行上下文切换的。如果 OS 检测到某 IRQ 正在活动并且被 SysTick 抢占(进行任务间的上下文切换)，它将悬起一个 PendSV 异常，以便缓期执行上下文切换。