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ARM异常处理流程与中断机制总结，与常见丢中断情况

article 2025/3/29 9:36:13

1 异常与中断的基本概念

CPU内核产生的打断当前执行程序的动作叫异常，与CPU内部同步

外设触发 NVIC产生的打断当前执行程序的动作叫中断，与CPU内部异步

ARM的异常模型（同步和异步）

2 异常处理流程

异常入口

EXC_RETURN：

退出阶段

3 中断机制与流程

4 丢中断情况

情况一：中断悬起过程中产生多次中断脉冲

情况二：中断请求产生于中断服务函数中

咬尾操作：

5 NVIC控制器

keil中查看NVIC内部寄存器

1 异常与中断的基本概念

首先我们需要知道什么是异常，什么是中断：

异常（Exception）：广义上指任何打断程序正常执行的事件，包括：
- 内部异常：如复位（Reset）、NMI（不可屏蔽中断）、硬件错误（HardFault）、内存管理错误等。
- 外部中断（IRQ）：由外设触发的中断请求，如定时器、GPIO、UART等。
中断（Interrupt）：属于异常的子集，特指由外设触发的异步事件。

在内核的视角看来：中断就是由NVIC发起的异常
CPU内部的异常是和CPU同步的，但是外部的中断，比如串口是和CPU异步的。这里的同步与异步不理解可以看下文解释。

CPU内核产生的打断当前执行程序的动作叫异常，与CPU内部同步

外设触发 NVIC产生的打断当前执行程序的动作叫中断，与CPU内部异步

F411只支持外部中断编号到86。

ARM的异常模型（同步和异步）

同步：MCU内核产生异常，信号由 Instructions线到 CPU，CPU会立马响应。

异步：由外设触发的中断需要经历中断请求，中断悬起，等待CPU响应，CPU处理等操作

2 异常处理流程

异常入口

步骤 1：触发异常
- 异常源触发（如复位、IRQ、系统调用等）。
- 处理器检查异常是否被使能（如中断是否在NVIC中启用）。
步骤 2：保存上下文
- 自动压栈：处理器将当前执行状态的 8 个寄存器（R0-R3, R12, LR, PC, xPSR）压入当前栈（主栈或进程栈，由CONTROL寄存器决定）。
- 更新寄存器：
  - LR（链接寄存器）被更新为特殊值 EXC_RETURN（标记异常返回模式）。
  - PSP/MSP（进程栈指针/主栈指针）根据异常类型切换（如系统异常使用MSP，部分中断可能使用PSP）。

EXC_RETURN：

处理器进入异常处理或中断服务程序(ISR)时,链接寄存器(LR)的数值会被更新为EX_RETURN数值。当利用BX、POP或存储器加载指令(LDR或LDM)被加载到程序寄存器中时,该数值用于触发异常返回机制。

EXC_RETURN中的一些位用于提高异常流程的其他信息。EXC_RETURN数值的定义如表8.1示,EXC_RETURN的合法值则如表8.2所示。

由于EXC_RETURN的编码格式,在地址区域0xF0000000~0xFFFFFFFF中是无法执行中断返回的。不过,由于系统空间中的地址区域已经被架构定义为不可执行的,因此这样不会带来什么问题。

步骤 3：跳转到异常处理程序
- 通过向量表（Vector Table）查找异常处理函数地址（如复位向量位于0x00000004，IRQ向量按优先级排列）。
- 开始执行异常处理程序（如HardFault_Handler或用户定义的ISR）。

退出阶段

步骤 1：触发异常返回
- 执行 BX LR 或 POP {PC} 指令（LR 中的 EXC_RETURN 值决定返回模式）。
步骤 2：恢复上下文
- 自动出栈：处理器将之前压栈的8个寄存器弹出，恢复执行现场。
- 切换回原模式（如从Handler模式返回Thread模式）。

3 中断机制与流程

每个中断都有多个属性:

每个中断都可被禁止(默认)或使能。
每个中断都可被挂起(等待服务的请求)或解除挂起。注：挂起也可以叫做悬起
每个中断都可处于活跃(正在处理中断服务函数)或非活跃状态。

为了支持这些属性,NVIC中包含了多个可编程寄存器,它们可用于中断使能控制、挂起（悬起）状态和只读的活跃状态位。

需要注意的是，NVIC中的这些寄存器几乎都需要处理器在特权模式下才可以访问，只有少部分寄存器才能在用户模式下访问。

注：NMI：即不可屏蔽中断

4 常见丢中断情况

情况一：中断悬起过程中产生多次中断脉冲

第一次产生中断请求脉冲时，NVIC内部pending寄存器被置1，中断悬起，但还未开始中断处理，就又来了两个中断请求脉冲，但是由于同一个中断使用的都是同一个NVIC内部pending寄存器，导致后面几次中断请求并没有被记录，而中断服务函数处理的就是第一次的中断请求，进而导致后面两次中断请求丢失。

情况二：中断请求产生于中断服务函数中

在很多中断服务函数中我们需要清理中断标志位。举个例子，比如说串口非空中断，串口里面已经有数据了，产生中断请求的同时置了标志位，两次中断请求置了两次标志位，但是两次标志位在一次中断服务函数中被清零了，导致第二次中断服务函数没有检测到标志位置1，可能什么都没做就直接退出了。

咬尾操作：

由于是从中断服务函数退出再进入中断服务函数，所以处理器不会进入线程模式，同时会取消中断服务函数的出栈，相当于减少了一次出栈与入栈。

5 NVIC控制器

NVIC（嵌套向量中断控制器）的部分寄存器只能在特权级（Privileged Mode）下访问，而部分寄存器可以在用户级（User Mode）下访问。

在 ARM Cortex-M4 技术参考手册（Technical Reference Manual, TRM）中对 NVIC 的寄存器访问级别有明确说明，NVIC_STIR 寄存器属于允许用户模式下访问的寄存器。（用户访问 NVIC_STIR 寄存器，写入中断号可以以软中断的方式触发中断。）

《ARM® Cortex®-M4 Devices Generic User Guide》或《Cortex®-M4 Technical Reference Manual》中的 "NVIC registers and privilege access" 部分会详细列出不同寄存器的访问权限。