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tags: [嵌入式系统, 复习, ARM异常]
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create time: 2026-06-10 11:11
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# ARM异常与中断机制
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## 概述
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本文档详细讲解ARM处理器的异常与中断机制，包括7种异常类型、异常向量表、异常响应流程、FIQ/IRQ中断处理以及中断嵌套。这是理解嵌入式系统实时响应能力的关键。
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## 正文
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### 1. 什么是异常
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**异常（Exception）** 是指处理器在执行正常程序过程中，遇到的需要特殊处理的事件。异常是同步事件，由当前执行的指令触发。
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**中断（Interrupt）** 是一种特殊的异常，属于异步事件——由外部硬件信号触发，与当前执行的指令无关。
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> [!tip] 异常与中断的关系
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> 中断是异常的子集。所有中断都是异常，但不是所有异常都是中断。IRQ和FIQ是中断，而Reset、SWI、Data Abort等是其他类型的异常。
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### 2. 七种异常类型
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ARM7定义了7种异常类型，每种异常对应一种处理器模式：
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| 异常类型 | 触发原因 | 进入模式 | 优先级 |
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|----------|----------|----------|--------|
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| Reset | 复位信号 | SVC | 最高（1） |
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| Undefined Instruction | 无法识别的指令 | UND | 最高（2） |
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| SWI（软件中断） | SWI指令执行 | SVC | 最高（3） |
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| Prefetch Abort | 指令预取失败 | ABT | 最高（4） |
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| Data Abort | 数据访问失败 | ABT | 最高（5） |
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| IRQ | 外部IRQ中断请求 | IRQ | 较低（6） |
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| FIQ | 外部FIQ中断请求 | FIQ | 最低（7） |
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> [!question] 为什么Reset的优先级最高？
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> Reset是最高优先级异常，因为它代表系统需要从头开始。无论处理器当前在做什么，复位信号都必须立即响应，将系统拉回到初始状态。
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### 3. 异常向量表
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异常向量表是位于地址 **0x00000000** 的一张跳转表，每种异常对应一个固定的偏移地址：
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```mermaid
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graph TD
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subgraph vectorTable["Exception Vector Table"]
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V0["0x00000000: Reset"] --> V4["0x00000004: Undefined Instruction"]
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V4 --> V8["0x00000008: SWI"]
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V8 --> VC["0x0000000C: Prefetch Abort"]
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VC --> V10["0x00000010: Data Abort"]
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V10 --> V14["0x00000014: Reserved"]
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V14 --> V18["0x00000018: IRQ"]
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V18 --> V1C["0x0000001C: FIQ"]
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end
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style V0 fill:#ef9a9a
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style V4 fill:#ffcc80
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style V8 fill:#fff176
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style VC fill:#a5d6a7
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style V10 fill:#90caf9
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style V14 fill:#e0e0e0
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style V18 fill:#ce93d8
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style V1C fill:#f48fb1
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```
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每个向量表项只占**4个字节**（一条ARM指令的大小），通常放置一条跳转指令（B或LDR PC）跳转到对应的异常处理程序。
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> [!warning] 0x00000014是保留位置
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> 0x00000014是Reserved，没有定义任何异常。这是因为每种异常间隔4个字节，而从Data Abort到IRQ之间需要一个间隔。
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> [!question] 为什么FIQ的向量地址是0x0000001C，排在最后？
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> 把FIQ放在向量表末尾有一个巧妙的好处：FIQ的处理程序可以直接从0x0000001C开始写，而不需要一条跳转指令。因为从0x0000001C往后到向量表结束还有空间，足以放置几条关键指令，从而节省了一个跳转周期。
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### 4. 异常响应流程
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当异常发生时，ARM处理器自动执行以下步骤：
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```mermaid
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flowchart TD
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A["Exception Occurs"] --> B["Step1: Save CPSR to SPSR of target mode"]
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B --> C["Step2: Set CPSR mode bits to target mode"]
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C --> D["Step3: Set CPSR T bit to 0 ARM state"]
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D --> E["Step4: Set CPSR I/F bits disable interrupts"]
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E --> F["Step5: Save return address to LR of target mode"]
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F --> G["Step6: Set PC to vector address"]
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G --> H["Execute exception handler"]
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style A fill:#ef9a9a
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style H fill:#a5d6a7
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```
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具体来说：
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**Step 1：保存CPSR**
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- 将当前CPSR的值复制到**目标异常模式的SPSR**
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- 例如：IRQ发生时，CPSR → SPSR_irq
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**Step 2：切换处理器模式**
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- 修改CPSR的M[4:0]位，切换到异常对应的模式
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**Step 3：切换到ARM状态**
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- 清除CPSR的T位（T=0），确保在ARM状态下执行异常处理程序
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- 这意味着即使当前在Thumb状态，异常处理也使用ARM指令
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**Step 4：禁止中断**
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- 根据异常类型，设置I位或F位来禁止中断
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- IRQ异常设置I位（禁止IRQ），FIQ异常设置I和F位（禁止所有中断）
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**Step 5：保存返回地址**
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- 将程序计数器的值保存到**目标模式的LR**
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- 不同异常的返回地址偏移不同（见下表）
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**Step 6：跳转到向量表**
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- 将PC设置为对应异常的向量地址
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### 5. 返回地址的偏移
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每种异常保存到LR中的返回地址有特定的偏移：
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| 异常类型 | LR保存的值 | 说明 |
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|----------|------------|------|
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| Reset | 未定义 | 无需返回 |
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| Undefined | PC + 4 | 指向未定义指令的下一条 |
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| SWI | PC + 4 | 指向SWI指令的下一条 |
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| Prefetch Abort | PC + 4 | 指向预取失败指令的下一条 |
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| Data Abort | PC + 8 | 指向数据访问失败指令的下一条 |
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| IRQ | PC + 4 | 指向被中断指令的下一条 |
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| FIQ | PC + 4 | 指向被中断指令的下一条 |
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> [!question] 为什么Data Abort的偏移是+8而其他是+4？
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> 因为ARM7三级流水线中，当Data Abort被检测到时，流水线已经多预取了指令。Data Abort在执行阶段才被发现，此时PC已经前进了8个字节（两条指令之后）。
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### 6. 异常返回
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异常处理完成后，需要返回到被中断的程序。返回方式取决于异常类型：
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**从IRQ/FIQ返回**：
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```arm
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SUBS PC, LR, #4 ; LR_irq/fiq - 4 = 被中断指令的下一条地址
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```
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**从SWI/Undefined返回**：
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```arm
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MOVS PC, LR ; LR_svc/und 直接就是返回地址
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```
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**从Data Abort返回**：
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```arm
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SUBS PC, LR, #8 ; LR_abt - 8 = 需要重新执行那条失败的指令
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```
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> [!warning] 关键点：MOVS和SUBS中的"S"后缀
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> 返回指令必须使用带S后缀的版本（MOVS/SUBS），因为这会自动将SPSR的值恢复到CPSR。如果用MOV而不是MOVS，SPSR不会被恢复，处理器状态将不正确。
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### 7. 中断嵌套
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ARM7的中断**支持嵌套**。所谓嵌套，是指在一个中断处理过程中，更高优先级的中断可以打断当前处理。
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant Main as Main Program
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participant IRQ as IRQ Handler
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participant FIQ as FIQ Handler
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Main->>IRQ: IRQ interrupt occurs
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Note over IRQ: CPSR saved, IRQ enabled
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IRQ->>FIQ: FIQ interrupt occurs
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Note over FIQ: CPSR saved, all IRQ disabled
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FIQ-->>IRQ: Return from FIQ
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IRQ-->>Main: Return from IRQ
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```
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实现中断嵌套的关键：
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1. 进入中断处理程序后，需要**手动重新使能IRQ**（清除CPSR的I位）
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2. 保存必要的寄存器到栈上
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3. 使用STMFD/LDMFD来管理栈帧
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```arm
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; IRQ中断处理程序模板
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IRQ_Handler:
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SUB LR, LR, #4 ; 修正返回地址
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STMFD SP!, {LR} ; 保存返回地址
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MRS R14, SPSR ; 保存SPSR
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STMFD SP!, {R14} ; 将SPSR压栈
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STMFD SP!, {R0-R3, R12} ; 保存可能被破坏的寄存器
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MSR CPSR_c, #0x13 ; 切换到SVC模式，使能IRQ
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STMFD SP!, {LR} ; 保存SVC模式的LR
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; ... 在SVC模式下处理中断 ...
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LDMFD SP!, {LR} ; 恢复SVC的LR
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MSR CPSR_c, #0x92 ; 切回IRQ模式，禁止IRQ
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LDMFD SP!, {R0-R3, R12} ; 恢复寄存器
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LDMFD SP!, {R14} ; 恢复SPSR到R14
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MSR SPSR_cxsf, R14 ; 写回SPSR
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LDMFD SP!, {PC}^ ; 恢复PC，同时恢复CPSR
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```
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### 8. FIQ vs IRQ 对比总结
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```mermaid
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graph TD
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subgraph comparison["FIQ vs IRQ Comparison"]
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direction LR
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subgraph fiqProps["FIQ Properties"]
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FP1["Higher priority"]
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FP2["Private R8-R14"]
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FP3["Vector at 0x1C"]
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FP4["Fastest response"]
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end
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subgraph irqProps["IRQ Properties"]
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IP1["Lower priority"]
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IP2["Private R13-R14 only"]
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IP3["Vector at 0x18"]
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IP4["Needs register save"]
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||
end
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||
end
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style FP1 fill:#f48fb1
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style IP1 fill:#ce93d8
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```
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| 特性 | FIQ | IRQ |
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|------|-----|-----|
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| 优先级 | 高 | 低 |
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| 私有寄存器 | R8-R14（7个） | R13-R14（2个） |
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| 向量地址 | 0x0000001C | 0x00000018 |
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| 响应速度 | 快（无需保存R8-R12） | 慢（需要保存R0-R12） |
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| 嵌套 | 支持 | 支持 |
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| 典型用途 | 高速数据传输（DMA） | 一般外部设备中断 |
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> [!question] 如果系统中只有一个中断源，应该选择FIQ还是IRQ？
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> 如果只有一个中断源且对响应速度有要求，建议使用FIQ。因为FIQ有更多私有寄存器，中断处理程序不需要保存/恢复R8-R12，减少了压栈/出栈的时间开销。
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## 关联笔记
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- [[嵌入式系统/试题册/index|试题册索引]]
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