Cortex-M3內核的異常處理機制及其新技術研究

3.2 處理器響應遲到異常

CortexM3和ARM7在處理遲到高優先級異常時的差異如圖6所示。

當IRQ2正在為執行ISR2保存處理器狀態時，遲到了一個優先級更高的異常IRQ1.這時ARM7繼續進行壓棧操作。在壓棧操作完成后，ARM7繼續為執行ISR1進行壓棧操作，然后執行ISR1.其實，兩次壓棧操作所保存的內容是一樣的。因此，CortexM3對這個階段的操作進行了優化，引進了遲到異常技術，只進行一次的壓棧操作。并且在ISR1執行完成之后，CortexM3沒有進行出棧操作，而是通過一個6周期的尾鏈，直接進入ISR2的執行。

圖6 NVIC對遲到的具有更高優先級異常的響應

在上面的例子中，ARM7處理器的異常開銷：

CortexM3處理器的異常開銷：

其中，TARM7_later和TM3_later分別為ARM7和CortexM3處理遲到異常所用的時間開銷;Ttailchaining為CortexM3處理尾鏈所用的時間。

通過計算可以看出，CortexM3少用了44周期，節省65%的異常開銷。

3.3 處理器處理backMtoMback異常

若一個新的異常在上一個異常寄存器出棧時到來，ARM7和CortexM3的處理方式也有很大不同。CortexM3和ARM7在處理 backMtoMback異常時的差異如圖7所示。ARM7繼續當前的出棧操作，在出棧操作完成后，處理器為執行ISR2進行壓棧操作，然后執行 ISR2.其實，這時候處理器出棧和壓棧的內容是一致的。CortexM3同樣優化了這個階段的操作，引進了尾鏈機制。當IRQ2到來時，CortexM3立即中止已經進行了8個周期的出棧操作，轉而進行尾鏈操作，然后執行ISR2.

圖7 NVIC搶占出棧

在處理backMtoMback異常時，ARM7處理器用在ISR1到ISR2轉換的異常開銷：

CortexM3處理器用在ISR1到ISR2轉換的異常開銷：

其中，TARM_btb和TM3_btb分別為ARM7和CortexM3處理backMtoMback異常轉換所用的時間開銷;Tcancel為發生尾鏈時CortexM3已用于狀態恢復的時間。

通過計算可以看出，CortexM3少用了28周期。其實，CortexM3處理器用在ISR1到ISR2轉換的異常開銷最低可以優化到只用6個周期， 這樣就極大地提高了backMtoMback異常的響應能力。

結語

本文闡述了CortexM3處理器的異常處理機制。通過和ARM7進行比較，量化分析了CortexM3在異常處理方面的優勢，對工程師使用CortexM3的異常處理會有一定參考和幫助。