一文了解Cortex-M中断向量表对齐原则

一、Cortex-M中断向量表对齐原则

中断向量表就是一个集中保存系统全部中断处理函数（xxxIRQHandler）地址的常量数组（函数地址要占 4 个字节，因此数组中每个元素大小为 4 字节），表中元素编号如下：

1. 中断向量表第 0 - 1 个向量比较特殊，是程序初始 SP 和 PC 值
2. 中断向量表第 2 - 15 个向量是系统中断，IRQ 编号为 -14 到 -1
3. 中断向量表第 16 个向量开始是厂商自定义外设中断，IRQ 编号为 0 到 n
   - 对于 Cortex-M0/0+/1,    ARM 建议的 n 值最大为 15（实际一般厂商都会扩展）
   - 对于 Cortex-M3/4/7/23,  ARM 建议的 n 值最大为 239
   - 对于 Cortex-M33/35P/55, ARM 建议的 n 值最大为 479

Cortex-M 内核（除了CM0）模块 SCB 里有个专门的 VTOR 寄存器用来控制中断向量表首地址，程序运行起来后用户可以配置 SCB->VTOR 寄存器来重设中断向量表地址。

SCB->VTOR 寄存器低 7bit 是保留的（永远0），所以中断向量表首地址一定要是 128 字节（0x80）对齐的，这个毫无疑问！但是仅仅 128 字节对齐就行了吗？这个是要看情况的，如下 Cortex-M Generic User Guide 手册里关于 VTOR 寄存器描述里有这样一段话（红框内），这段话的意思是向量表首地址需要按 0x80 向上对齐（还得是 2 的整数幂）以覆盖项目中实际用到的数值最大中断号（xxx_IRQn）。

• Note: 比如项目中实际用到最大外设中断为 IRQ20，则最小向量表大小为（16 + 21）* 4 字节，那么向量表首地址需要至少以 0x100 对齐。

二、Cortex-M中断向量表不对齐的后果

如果中断向量表首地址没有按规定对齐，会发生什么后果呢？我们找一块板卡来实测下，选择的芯片是恩智浦 i.MXRT1011，这是颗 Cortex-M7 内核的 MCU，除了 16 个系统中断外，还包含 80 个外设中断，中断向量表里一共 96 个有效中断，见如下 startup_MIMXRT1011.s 文件中具体中断响应函数定义：

因为 i.MXRT1011 里一共 96 个中断，按规定，中断向量表首地址至少要按 0x200 对齐。我们现在故意不按规定来设对齐，先选择一个测试工程 \SDK_2.10.0_EVK-MIMXRT1010\boards\evkmimxrt1010\demo_apps\hello_world\iar（flexspi_nor_build），修改 hello_world.c 文件，加一个 relocate_vector_table() 函数，将中断向量表重定向到 NEW_VECTOR_ADDRESS：

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000080)

extern uint32_t __VECTOR_TABLE[];
void relocate_vector_table(void)
{
    __disable_irq();
    // 将 0x60002000 处的初始中断向量表拷贝到新地址 NEW_VECTOR_ADDRESS
    memcpy((void *)NEW_VECTOR_ADDRESS, (void *)__VECTOR_TABLE, 0x180);
    // 将 VTOR 指向 NEW_VECTOR_ADDRESS
    SCB->VTOR = NEW_VECTOR_ADDRESS;
    __enable_irq();
}

int main(void)
{
    relocate_vector_table();

    // 其余代码
}

万事俱备，我们现在需要使能一些中断来验证，痞子衡分别选取了 SysTick、LPUART1、GPT2、WDOG2、TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 六个中断，它们的使能代码都可以从 SDK\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\ 里找到，这里不予赘述。

2.1 测试以 0x80 对齐的中断向量表

将 NEW_VECTOR_ADDRESS 设为 ITCM 偏移 0x80 处，则中断向量表被重定向到了按 0x80 对齐的地方，分别测试选定的 6 个中断，最终结果如下：SysTick、TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 中断响应是正常的，而 LPUART1、GPT2、WDOG2 实际响应的中断函数却是 MemManage、SysTick、DMA13 位置，这里出现了异常。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000080)

2.2 测试以 0x100 对齐的中断向量表

将 NEW_VECTOR_ADDRESS 设为 ITCM 偏移 0x100 处，则中断向量表被重定向到了按 0x100 对齐的地方，分别测试选定的 6 个中断，最终结果如下：SysTick、LPUART1、GPT2、WDOG2 中断响应是正常的，而 TEMP_LOW_HIGH、WDOG1 实际响应的中断函数却是 SysTick、DMA10 位置，还是出现了异常。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000100)

2.3 测试以 0x180 对齐的中断向量表

将 NEW_VECTOR_ADDRESS 设为 ITCM 偏移 0x180 处，则中断向量表被重定向到了按 0x180 对齐的地方，实测效果跟 2.1 节一致。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000180)

2.4 测试以 0x200 对齐的中断向量表

将 NEW_VECTOR_ADDRESS 设为 ITCM 偏移 0x200 处，则中断向量表被重定向到了按 0x200 对齐的地方，6 个中断都能正常响应，毕竟是符合 ARM 手册里对齐规定。

#define NEW_VECTOR_ADDRESS (0x00000200)

2.5 测试结果总结

因为 i.MXRT1011 最多仅 96 个有效中断，有些对齐测试不能完全覆盖，痞子衡后来又在 i.MXRT1176 上（最多 234 个有效中断）以同样方式测了一遍，最终总结到现象如下（该现象可用来精简向量表，下文再聊）：

1. 当中断向量表以 0x80 对齐时：
  - 表中 (2n*0x80)/4 处开始的连续 32 个中断均能够正常响应，n 可取值 0 - 7
  - 表中 ((2n+1)*0x80)/4 处开始的连续 32 个中断发生时，实际响应的却是表中（(2n*0x80)/4 处对应的连续 32 个中断函数
2. 当中断向量表以 0x100 对齐时：
  - 表中 (2n*0x100)/4 处开始的连续 64 个中断均能够正常响应，n 可取值 0 - 4
  - 表中 ((2n+1)*0x100)/4 处开始的连续 64 个中断发生时，实际响应的却是表中（(2n*0x100)/4 处对应的连续 64 个中断函数
3. 当中断向量表以 0x200 对齐时：
  - 表中 (2n*0x200)/4 处开始的连续 128 个中断均能够正常响应，n 可取值 0 - 1
  - 表中 ((2n+1)*0x200)/4 处开始的连续 128 个中断发生时，实际响应的却是表中（(2n*0x200)/4 处对应的连续 128 个中断函数
4. 当中断向量表以 0x400 对齐时：
  - 表中前 256 个中断均能够正常响应
  - 推测表中第 256 - 511 个中断发生时，实际响应的是表中 0 - 255 个中断函数
5. 当中断向量表以 0x800 对齐时：
  - 表中前 512 个中断均能够正常响应

6. 当中断向量表以 0x180 对齐时：未详尽测试，效果似乎与以 0x80 对齐一致
7. 当中断向量表以 0x280 对齐时：未详尽测试，第 100 个中断误触发第 68 个中断函数，第 136 个中断触发 HardFault
8. 当中断向量表以 0x300 对齐时：未详尽测试，第 100/136 个中断均触发 HardFault
...

至此，Cortex-M中断向量表对齐原则介绍完了~~~

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