Bài 49.226 phút đọc

Bảng vector và NVIC

Sau bài này bạn sẽ làm được

Viết bảng vector ngắt và đặt nó vào đúng phân đoạn
Hiểu cơ chế hàm yếu và vì sao viết sai tên là ISR không chạy
Đặt độ ưu tiên và biết số nhỏ là ưu tiên cao
Giải thích ngắt lồng nhau và nhóm ưu tiên

Bảng vector là cầu nối giữa số hiệu ngắt và hàm bạn viết. Cầu nối đó hoạt động bằng cách khớp tên hàm, và một chữ cái sai làm ISR không bao giờ chạy mà trình biên dịch không hề cảnh báo.

#Bảng vector

Bảng vector

Một mảng con trỏ hàm đặt ở đầu Flash. Phần tử thứ n chứa địa chỉ hàm xử lý ngoại lệ số n. Lõi tra bảng này mỗi lần có ngoại lệ.

startup.c

#include <stdint.h>

extern uint32_t _estack;      /* do tệp linker định nghĩa */

void Reset_Handler(void);
void Default_Handler(void);

/* Ngoại lệ của lõi Cortex-M */
void NMI_Handler(void)        __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void HardFault_Handler(void)  __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void MemManage_Handler(void)  __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void BusFault_Handler(void)   __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void UsageFault_Handler(void) __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void SVC_Handler(void)        __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void DebugMon_Handler(void)   __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void PendSV_Handler(void)     __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void SysTick_Handler(void)    __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));

/* Ngắt từ ngoại vi, tên do nhà sản xuất quy định */
void WWDG_IRQHandler(void)    __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void EXTI0_IRQHandler(void)   __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void TIM2_IRQHandler(void)    __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void USART1_IRQHandler(void)  __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
/* ... còn hàng chục hàm nữa ... */

__attribute__((section(".isr_vector"), used))
void (*const bang_vector[])(void) = {
    (void (*)(void))&_estack,      /*  0: đỉnh ngăn xếp ban đầu */
    Reset_Handler,                 /*  1: reset */
    NMI_Handler,                   /*  2 */
    HardFault_Handler,             /*  3 */
    MemManage_Handler,             /*  4 */
    BusFault_Handler,              /*  5 */
    UsageFault_Handler,            /*  6 */
    0, 0, 0, 0,                    /*  7 tới 10: dành riêng */
    SVC_Handler,                   /* 11 */
    DebugMon_Handler,              /* 12 */
    0,                             /* 13: dành riêng */
    PendSV_Handler,                /* 14 */
    SysTick_Handler,               /* 15 */

    /* Từ đây là ngắt ngoại vi, IRQ0 trở đi */
    WWDG_IRQHandler,               /* 16, IRQ0 */
    /* ... */
    TIM2_IRQHandler,               /* 44, IRQ28 */
    /* ... */
    USART1_IRQHandler,             /* 53, IRQ37 */
};

void Default_Handler(void)
{
    for (;;) { }      /* xem mục cuối bài về cách tốt hơn */
}

Bit thấp nhất của địa chỉ hàm luôn là 1

Cortex-M chỉ chạy tập lệnh Thumb. Bit 0 của địa chỉ nhảy được dùng làm cờ chọn tập lệnh, và nó phải là 1. Trình liên kết tự đặt bit đó cho mọi con trỏ hàm, nên bạn không phải lo. Nhưng nếu bạn tự tính địa chỉ hàm bằng số học thì phải nhớ cộng 1.

/* Nhay toi mot ham o dia chi da biet, vi du bootloader */
uint32_t dia_chi_app = 0x08008000u;

uint32_t sp    = *(volatile uint32_t *)dia_chi_app;
uint32_t reset = *(volatile uint32_t *)(dia_chi_app + 4u);

/* reset doc tu bang vector da CO bit 0 bang 1, khong can cong them */
void (*nhay)(void) = (void (*)(void))reset;

__set_MSP(sp);
nhay();

Tệp linker đặt bảng vector đúng chỗ

linker.ld

MEMORY
{
    FLASH (rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K
    RAM   (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 96K
}

_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM);      /* đỉnh ngăn xếp */

SECTIONS
{
    .isr_vector :
    {
        KEEP(*(.isr_vector))      /* KEEP: đừng xóa dù không ai gọi */
    } > FLASH                     /* đặt ở ĐẦU Flash */

    .text :
    {
        *(.text*)
        *(.rodata*)
    } > FLASH

    /* ... phần còn lại, xem Bài 50.4 ... */
}

#Hàm yếu và cái bẫy tên sai

Ký hiệu yếu

Một định nghĩa hàm được đánh dấu weak sẽ bị thay thế nếu ở nơi khác có định nghĩa mạnh cùng tên. Nếu không có, định nghĩa yếu được dùng.

co-che.c

/* Trong startup.c: dinh nghia YEU, tro toi Default_Handler */
void TIM2_IRQHandler(void) __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));

/* Trong main.c: dinh nghia MANH cua ban */
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    TIM2->SR &= ~(1u << 0);
    ++g_tick;
}

/* Trinh lien ket thay ban co dinh nghia manh nen dung no,
   va bang vector tro toi ham cua ban. Khong can khai bao gi them. */

Viết sai tên là ISR không bao giờ chạy

Tên sai một chữ

void TIM2_IRQnHandler(void)      /* thua chu n */
{
    TIM2->SR &= ~(1u << 0);
    ++g_tick;
}

/* Trinh bien dich: khong loi, day la mot ham hop le.
   Trinh lien ket: khong loi, ham nay chi khong ai goi.
   Bang vector: van tro toi Default_Handler.

   Ket qua: ngat TIM2 xay ra, nhay vao Default_Handler,
   va chuong trinh treo trong vong lap vo han cua no. */

Chép tên từ startup

void TIM2_IRQHandler(void)       /* dung ten trong startup.c */
{
    TIM2->SR &= ~(1u << 0);
    ++g_tick;
}

terminal

# Kiểm xem ISR của mình có thật sự vào bảng vector không

arm-none-eabi-nm firmware.elf | grep -i tim2

080004a8 T TIM2_IRQnHandler
080001bc W TIM2_IRQHandler

Chu W nghia la YEU, tuc ham cua ban KHONG duoc dung.

# Sau khi sửa tên

arm-none-eabi-nm firmware.elf | grep -i tim2

080004a8 T TIM2_IRQHandler

Chu T nghia la ham THAT trong .text, dung roi.

Default_Handler nên nói cho bạn biết chuyện gì

default-handler.c

#include <stdint.h>

/* Doc so hieu ngoai le dang chay tu thanh ghi IPSR. */
void Default_Handler(void)
{
    uint32_t ipsr;

    __asm volatile ("mrs %0, ipsr" : "=r" (ipsr));

    uint32_t so_ngoai_le = ipsr & 0x1FFu;
    int32_t  so_irq      = (int32_t)so_ngoai_le - 16;

    uart_gui_chuoi("NGAT KHONG CO ISR: exception ");
    uart_in_uint(so_ngoai_le);

    if (so_irq >= 0) {
        uart_gui_chuoi(", IRQ ");
        uart_in_int(so_irq);
    }

    uart_gui_chuoi("\r\n");

    for (;;) { }
}

terminal

picocom -b 115200 /dev/ttyUSB0

NGAT KHONG CO ISR: exception 44, IRQ 28

# Tra bảng vector: IRQ28 là TIM2

grep -n 'IRQ28\|TIM2_IRQ' startup.c

58:    TIM2_IRQHandler,               /* 44, IRQ28 */

#NVIC: bật, tắt, ưu tiên

NVIC

Nested Vectored Interrupt Controller. Khối phần cứng trong lõi Cortex-M quản lý mọi ngắt ngoại vi: bật, tắt, đặt độ ưu tiên, và quyết định ngắt nào được chạy khi nhiều ngắt cùng chờ.

nvic.c

#include "stm32f4.h"

void ngat_khoi_tao(void)
{
    /* 1. Bật ngắt Ở NGOẠI VI. Không có bước này thì ngoại vi
          không bao giờ gửi tín hiệu tới NVIC. */
    USART1->CR1 |= (1u << 5);      /* RXNEIE */
    TIM2->DIER  |= (1u << 0);      /* UIE */

    /* 2. Đặt độ ưu tiên. SỐ NHỎ là ưu tiên CAO. */
    NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 1u);
    NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn,   3u);

    /* 3. Bật ngắt ở NVIC */
    NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

    /* 4. Bật ngắt toàn cục, thường đã bật sẵn sau reset */
    __enable_irq();
}

Bốn công tắc phải bật đủ cả bốn

Công tắc	Ở đâu	Quên thì sao
Clock cho ngoại vi	RCC->xxxENR	Ngoại vi không hoạt động gì cả
Bit cho phép ngắt của ngoại vi	USART CR1 RXNEIE, TIM DIER UIE	Ngoại vi chạy nhưng không báo ngắt
Bit bật ngắt trong NVIC	NVIC_EnableIRQ	Tín hiệu tới NVIC nhưng bị chặn
Cờ ngắt toàn cục	PRIMASK, qua __enable_irq	Mọi ngắt bị chặn

Bốn công tắc mắc nối tiếp. Người mới thường bật hai cái rồi ngạc nhiên vì ISR không chạy. Khi gỡ lỗi, kiểm đủ bốn theo thứ tự này.

/* Ham kiem nhanh, dung khi go loi */
void kiem_ngat(IRQn_Type irq)
{
    uart_gui_chuoi("clock RCC : ");
    uart_in_uint((RCC->APB2ENR >> 4) & 1u);

    uart_gui_chuoi("\r\nRXNEIE    : ");
    uart_in_uint((USART1->CR1 >> 5) & 1u);

    uart_gui_chuoi("\r\nNVIC ISER : ");
    uart_in_uint(NVIC_GetEnableIRQ(irq));

    uart_gui_chuoi("\r\nPRIMASK   : ");
    uart_in_uint(__get_PRIMASK());

    uart_gui_chuoi("\r\n");
}

Hàm CMSIS	Việc làm
NVIC_EnableIRQ(irq)	Cho phép ngắt này tới lõi
NVIC_DisableIRQ(irq)	Chặn ngắt này, sự kiện vẫn được ghi nhớ
NVIC_SetPriority(irq, p)	Đặt độ ưu tiên, số nhỏ là cao
NVIC_GetPriority(irq)	Đọc lại độ ưu tiên
NVIC_SetPendingIRQ(irq)	Kích hoạt ngắt bằng phần mềm
NVIC_ClearPendingIRQ(irq)	Xóa yêu cầu ngắt đang chờ
NVIC_GetPendingIRQ(irq)	Hỏi ngắt này có đang chờ không
NVIC_SystemReset()	Khởi động lại chip

Tắt ngắt ở NVIC không xóa yêu cầu đang chờ

NVIC_DisableIRQ(USART1_IRQn);

/* Ngat van duoc GHI NHAN vao thanh ghi pending.
   Khi ban bat lai, ISR chay ngay lap tuc voi su kien cu. */

NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);      /* ISR chay ngay */

/* Muon bo qua han su kien cu: */
NVIC_DisableIRQ(USART1_IRQn);
/* ... lam viec gi do ... */
NVIC_ClearPendingIRQ(USART1_IRQn);
NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

Hành vi ghi nhớ này thường là điều bạn muốn: nó bảo đảm không mất sự kiện khi tạm tắt ngắt. Nhưng khi cấu hình lại một ngoại vi thì cờ cũ có thể gây một lần ISR giả, nên phải xóa tường minh.

#Ngắt lồng nhau

Ví dụ lồng nhau

/* TIM2 uu tien 3, USART1 uu tien 1 (cao hon).

   Thoi gian ->

   main         |----|                              |--------
   TIM2 ISR           |------|          |--|
   USART1 ISR                 |--------|

   1. main dang chay, ngat TIM2 toi -> vao TIM2_IRQHandler
   2. Dang trong TIM2 ISR, ngat USART1 toi
      USART1 uu tien CAO hon -> ngat luon TIM2 ISR
   3. USART1 ISR chay xong -> quay ve TIM2 ISR dung cho vua dung
   4. TIM2 ISR chay xong -> quay ve main

   Neu USART1 uu tien THAP hon hoac BANG TIM2 thi no phai cho
   TIM2 ISR chay xong. */

Lồng nhau làm ngăn xếp sâu thêm

/* Moi tang long nhau ton:
     32 byte khung ngan xep tu dong
   + bien cuc bo cua ISR do
   + thanh ghi R4 toi R11 neu ISR dung toi

   Voi 4 muc uu tien va ISR trung binh dung 64 byte:
     4 * (32 + 64) = 384 byte

   Cong voi phan sau nhat cua chuong trinh chinh.
   Neu ngan xep chi 2 KB thi day la 19 phan tram. */

terminal

> stack --do-dinh

khong long nhau      :  892 byte
long 2 tang          : 1024 byte
long 3 tang          : 1188 byte
long 4 tang          : 1352 byte

ngan xep cap phat: 2048 byte, con 34 phan tram

Nhóm ưu tiên

nhom-uu-tien.c

/* STM32F4 cai dat 4 bit uu tien, tuc 16 muc.
   Bon bit do chia thanh hai phan:

     uu tien CHIEM QUYEN (preempt): quyet dinh ai ngat duoc ai
     uu tien PHU (sub):             quyet dinh ai chay truoc khi CUNG cho

   Diem chia do truong PRIGROUP trong SCB->AIRCR quyet dinh,
   va NVIC_SetPriorityGrouping ghi thang gia tri do vao. */

NVIC_SetPriorityGrouping(3u);      /* 4 bit chiem quyen, 0 bit phu */
NVIC_SetPriorityGrouping(5u);      /* 2 bit chiem quyen, 2 bit phu */
NVIC_SetPriorityGrouping(7u);      /* 0 bit chiem quyen, 4 bit phu */

/* Voi PRIGROUP 7: KHONG ngat nao ngat duoc ngat nao.
   Day la cach don gian nhat, va du cho hau het du an. */

Đối số CMSIS	Bit chiếm quyền	Bit phụ	Số mức lồng nhau
0 tới 3	4	0	16
4	3	1	8
5	2	2	4
6	1	3	2
7	0	4	1, tức không lồng nhau

Cách đánh số của HAL từ ST thì ngược lại

/* Thu vien HAL cua ST dat ten theo SO BIT CHIEM QUYEN,
   nen con so nguoc han voi doi so CMSIS tho: */

NVIC_PRIORITYGROUP_0   /* 0 bit chiem quyen  -> CMSIS 7 */
NVIC_PRIORITYGROUP_2   /* 2 bit chiem quyen  -> CMSIS 5 */
NVIC_PRIORITYGROUP_4   /* 4 bit chiem quyen  -> CMSIS 3 */

/* Doc ma cua nguoi khac phai xem ho dung ham nao truoc khi
   ket luan he thong co long nhau hay khong. */

Cortex-M dùng bốn bit CAO của tám bit ưu tiên

/* Thanh ghi uu tien rong 8 bit, nhung STM32F4 chi cai dat 4 bit CAO.
   Bon bit thap luon doc ra 0.

   NVIC_SetPriority(irq, 3) ghi vao thanh ghi gia tri 3 << 4 = 0x30.

   Nen viet 0, 1, 2, 3 la dung, khong phai 0, 16, 32, 48.
   Ham CMSIS da lo phep dich ho ban. */

NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 1u);      /* thanh ghi = 0x10 */

/* Nhung neu ghi THANG vao thanh ghi thi phai tu dich: */
NVIC->IP[USART1_IRQn] = (1u << 4);      /* KHONG phai = 1 */

#Chọn mức ưu tiên

Mức	Dùng cho	Ví dụ	Yêu cầu
0, cao nhất	Sự kiện tuyệt đối không được lỡ	Dừng khẩn cấp, phát hiện mất điện, bảo vệ quá dòng	ISR dưới 20 chu kỳ
1	Giao tiếp tốc độ cao	UART ở 921600 baud, SPI, encoder	ISR dưới 50 chu kỳ
2	Tick hệ thống và điều khiển	SysTick, vòng điều khiển PID	ISR dưới vài trăm chu kỳ
3, thấp nhất thường dùng	Sự kiện chậm, không gấp	Nút bấm, cảm biến nhiệt độ, DMA báo xong	Không có yêu cầu chặt

Đảo ngược ưu tiên

/* ISR uu tien THAP giu mot tai nguyen ma ISR uu tien CAO can.

   1. ISR thap (nut bam) bat dau ghi vao bo dem chung
   2. ISR cao (UART) ngat no, cung muon ghi vao bo dem do
   3. ISR cao thay bo dem dang bi khoa -> cho
   4. Nhung ISR thap khong chay tiep duoc vi ISR cao chua xong

   BE TAC. Ca hai treo vinh vien. */

/* Cach chua don gian nhat trong he khong co RTOS:
   KHONG dung khoa giua cac ISR. Thay vao do:
     - Moi ISR co bo dem RIENG
     - Hoac dung bo dem vong mot ben ghi mot ben doc, Bai 23.2
     - Hoac de moi ISR chi DAT CO, vong lap chinh xu ly */

Đây là lý do quy tắc thứ bảy trong bảy quy tắc viết ISR ở Bài 49.3 tồn tại: ISR chỉ đặt cờ, xử lý thật ở vòng lặp chính. Làm vậy thì không ISR nào cần khóa gì cả.

Kích hoạt ngắt bằng phần mềm

ngat-phan-mem.c

/* Mau rat huu ich: ISR uu tien cao lam phan gap,
   roi kich hoat mot ngat uu tien THAP de lam phan cham. */

void USART1_IRQHandler(void)      /* uu tien 1, phai nhanh */
{
    uint8_t b = (uint8_t)USART1->DR;

    ring_them(b);

    if (b == '\n')
        NVIC_SetPendingIRQ(EXTI0_IRQn);   /* nho ISR khac xu ly */
}

void EXTI0_IRQHandler(void)       /* uu tien 3, duoc phep cham */
{
    EXTI->PR = (1u << 0);         /* xoa co */

    phan_tich_dong_lenh();        /* viec nang, hang tram chu ky */
}

/* Ky thuat nay goi la nua duoi, muon tu nhan Linux.
   Uu diem so voi dat co cho vong lap chinh: no chay
   NGAY khi khong con ngat nao uu tien cao hon,
   thay vi cho vong lap chinh quay lai. */

Dùng PendSV cho việc này thì sạch hơn

Ngoại lệ PendSV sinh ra đúng cho mục đích này: nó không gắn với ngoại vi nào, và thường đặt ở mức ưu tiên thấp nhất. Kích hoạt nó bằng cách ghi vào SCB->ICSR.

SCB->ICSR = (1u << 28);      /* PENDSVSET */

void PendSV_Handler(void)
{
    /* Chay khi moi ngat khac da xong. Khong can xoa co,
       loi tu xoa khi vao. */
    phan_tich_dong_lenh();
}

Bài 50.5 dùng đúng cơ chế này cho chuyển ngữ cảnh của RTOS, vì cùng lý do: nó phải chạy sau khi mọi ISR đã xong.

Tự làm thử

Viết tệp startup với bảng vector đầy đủ cho chip của bạn, kèm hàm yếu cho mọi ngắt.
Cố tình viết sai tên một ISR, chạy chương trình, rồi dùng nm tìm ra chữ W chỉ ra lỗi.
Cài Default_Handler in ra số hiệu ngoại lệ, rồi gây một ngắt không có ISR và đọc thông báo.
Đặt hai ngắt ở hai mức ưu tiên khác nhau, bật một chân GPIO trong mỗi ISR, và quan sát lồng nhau bằng bộ phân tích logic.
Đo mức dùng ngăn xếp cao nhất với nhóm ưu tiên 4 và với nhóm 0, so hai con số.

Trình chấm điểm tự động sẽ được bổ sung ở giai đoạn sau. Hiện tại bạn tự chạy thử trên máy.

Tóm tắt

Bảng vector là mảng con trỏ hàm ở đầu Flash, và ô đầu tiên chứa đỉnh ngăn xếp chứ không phải địa chỉ hàm.
Cơ chế hàm yếu cho phép ghi đè ISR chỉ bằng cách định nghĩa hàm cùng tên. Sai một chữ là ISR không bao giờ chạy mà không có cảnh báo nào.
Bốn công tắc mắc nối tiếp: clock ngoại vi, bit cho phép ngắt của ngoại vi, NVIC_EnableIRQ, và PRIMASK.
Số ưu tiên nhỏ là ưu tiên cao. Ngắt cùng mức không lồng nhau, và nhóm ưu tiên 4 tắt hẳn lồng nhau.
Cho Default_Handler in ra số hiệu ngoại lệ là cải tiến rẻ nhất và hữu ích nhất trong toàn bộ phần khởi động.