Cortex―M3的異常處理機(jī)制研究

比較可知，NVIC是直接作為Cortex―M3處理器的一部分，集成在處理器核內(nèi)部；而VIC只是游離在ARM7內(nèi)核的外圍，這樣就必然占用內(nèi)核資源，影響了處理速度。Cortex―M3和ARM7中斷控制器在功能和實(shí)現(xiàn)方式上的差異如表2所列。
3．1 處理器響應(yīng)單個(gè)異常
Cortex一M3和ARM7異常處理過(guò)程如圖5所示。

ARM7處理器的異常開(kāi)銷(xiāo)：

其中，TARM7為ARM7處理異常的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)；TARM2_PUSH和TARM7_POP為ARM7進(jìn)行壓棧和出棧的操作時(shí)間；TCoretx-M3為Cortex一M3處理異常的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)；TM3_PUSH和TM3_POP為Cortex―M3進(jìn)行壓棧和出棧的操作時(shí)間。
可見(jiàn)，由于采用處理器狀態(tài)硬件保存，Cortex―M3處理器少用了18周期，節(jié)省了42．8％的異常開(kāi)銷(xiāo)。
3．2 處理器響應(yīng)遲到異常
Cortex―M3和ARM7在處理遲到高優(yōu)先級(jí)異常時(shí)的差異如圖6所示。

當(dāng)IRQ2正在為執(zhí)行ISR2保存處理器狀態(tài)時(shí)，遲到了一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的異常IRQl。這時(shí)ARM7繼續(xù)進(jìn)行壓棧操作。在壓棧操作完成后，ARM7繼續(xù)為執(zhí)行ISRl進(jìn)行壓棧操作，然后執(zhí)行ISRl。其實(shí)，兩次壓棧操作所保存的內(nèi)容是一樣的。因此，Cortex―M3對(duì)這個(gè)階段的操作進(jìn)行了優(yōu)化，引進(jìn)了遲到異常技術(shù)，只進(jìn)行一次的壓棧操作。并且在ISRl執(zhí)行完成之后，Cortex―M3沒(méi)有進(jìn)行出棧操作，而是通過(guò)一個(gè)6周期的尾鏈，直接進(jìn)入ISR2的執(zhí)行。
在上面的例子中，ARM7處理器的異常開(kāi)銷(xiāo)：

其中，TARM7_later和TM3_later分別為ARM7和Cortex―M3處理遲到異常所用的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)；Ttail-chaining為Cortex―M3處理尾鏈所用的時(shí)間。
通過(guò)計(jì)算可以看出，Cortex―M3少用了44周期，節(jié)省65％的異常開(kāi)銷(xiāo)。
3．3 處理器處理back-to-back異常
若一個(gè)新的異常在上一個(gè)異常寄存器出棧時(shí)到來(lái)，ARM7和Cortex―M3的處理方式也有很大不同。Cortex―M3和ARM7在處理back―to―back異常時(shí)的差異如圖7所示。ARM7繼續(xù)當(dāng)前的出棧操作，在出棧操作完成后，處理器為執(zhí)行ISR2進(jìn)行壓棧操作，然后執(zhí)行ISR2。其實(shí)，這時(shí)候處理器出棧和壓棧的內(nèi)容是一致的。Cortex―M3同樣優(yōu)化了這個(gè)階段的操作，引進(jìn)了尾鏈機(jī)制。當(dāng)IRQ2到來(lái)時(shí)，Cortex―M3立即中止已經(jīng)進(jìn)行了8個(gè)周期的出棧操作，轉(zhuǎn)而進(jìn)行尾鏈操作，然后執(zhí)行ISR2。

在處理back―to―back異常時(shí)，ARM7處理器用在ISRl到ISR2轉(zhuǎn)換的異常開(kāi)銷(xiāo)：
TARM_btb=TARM7_POP+TARM7_PUSH=16+26=42周期Cortex-M3處理器用在ISRl到ISR2轉(zhuǎn)換的異常開(kāi)銷(xiāo)：

TM3_btb=Tcancel+Ttail-chaining=8+6=14周期
其中，TARM_btb和TM3_btb分別為ARM7和Cortex―M3處理back―to―back異常轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)；Tcancel為發(fā)生尾鏈時(shí)Cortex―M3已用于狀態(tài)恢復(fù)的時(shí)間。
通過(guò)計(jì)算可以看出，Cortex―M3少用了28周期。其實(shí)，Cortex―M3處理器用在ISRl到ISR2轉(zhuǎn)換的異常開(kāi)銷(xiāo)最低可以?xún)?yōu)化到只用6個(gè)周期，這樣就極大地提高了back―to―back異常的響應(yīng)能力。

結(jié) 語(yǔ)
本文闡述了Cortex―M3處理器的異常處理機(jī)制。通過(guò)和ARM7進(jìn)行比較，量化分析了Cortex一M3在異常處理方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)工程師使用Cortex―M3的異常處理會(huì)有一定參考和幫助。