C++ 测量ARM MCU中断延迟的问题

引言

我是一个学生，想在不使用示波器的情况下粗略地测量ARM Cortex-M系列芯片的中断延迟.然而，我遇到了一个非常奇怪的问题，让我非常困惑.

首先，让我简要介绍一下我的测量方法.我try 使用MCU的内置定时器粗略地测量中断延迟.我的基本 idea 如下:在进入中断服务 routine (ISR)之前，我会将计时器重置为零.然后，我将生成中断请求并进入ISR.一旦进入ISR，我就会立即读取计时器的值.此时，计时器值可以作为中断延迟的一个非常粗略的估计.

由于某些原因，我需要用汇编语言编写前面提到的ISR函数.在Main函数中，我使用SWIER寄存器生成一个软件中断，它允许我进入我已经写入的ISR.

在这个过程中，我遇到了一个奇怪的问题.当用汇编语言编写ISR时，习惯上在进入函数时将几个寄存器压入堆栈，例如R4到R11，并在退出函数时将它们弹出.因此，in theory, if I don't push the registers onto the stack upon entering the ISR (assuming I don't use those registers within the ISR), the rough measurement of interrupt latency should be slightly smaller compared to when I do push the registers onto the stack upon entering the ISR. However, through my experiments, I found that the results were exactly the opposite. If I push the registers onto the stack upon entering the ISR, the measured interrupt latency is actually slightly smaller. I使用不同的IDE(对应不同的编译器)进行了实验这使我感到十分困惑.

实验装置

实验结果

在下表中，时钟列表示SYSCLK(HCLK)的频率.R4-R11表示在进入ISR时将寄存器R4至R11压入堆栈时从读取定时器获得的定时器计数值.类似地，R4表示在进入ISR时仅将寄存器R4压入堆栈时获得的定时器计数值."未堆叠"表示在进入ISR时没有寄存器被压入堆栈时获得的计时器计数值.表中的定时器计数值是从多次实验中获得的.

从上面的实验结果可以看出，在测量过程中，如果只将寄存器R4压入堆栈，则获得的定时器计数值比将寄存器R4至R11压入堆栈时要小(这与理论和直觉一致).然而，当我们 Select 不将寄存器压入堆栈时，奇怪的事情发生了:获得的计时器计数值更大，这与我们的直觉相矛盾.

Exp1

[MCU]:STM32F103C8T6

[IDE]:Keil uVision 5 V5.39.0.0

exp2

[MCU]:STM32F103ZET6

[IDE]:Keil uVision 5 V5.39.0.0

Exp3

[MCU]:STM32F103ZET6

[IDE]:ARM版本8.32.1.18631的IAR

从上面的实验结果可以看出，在测量过程中，如果只将寄存器R4压入堆栈，则获得的定时器计数值比将寄存器R4至R11压入堆栈时要小(这与理论和直觉一致).However, when we choose not to push the registers onto the stack, something strange happens: the timer count value obtained is larger, which contradicts our intuition.个

实验代码

以下是一些核心代码.

//main.c 
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
        TIM2->CNT = 0;      //set timer2 count=0
        EXTI->SWIER |= 1; //call EXIT0 ISR
        for(;i!=0;i--){}    //delay
        printf("[%5d]:TIM time t is :%d\n",line,t);
        printf("***********[%5d]:*******\n",line);
        line++;
        i = COUNT_NUM;
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }

;ISR.s
    AREA ISR,CODE,READONLY
    EXPORT EXTI0_IRQHandler
    ;EXTI0_IRQHandler is a global function name that is an ISR written in the Assembly language.
    ;To enable EXTI0_IRQHandler, the automatically generated EXTI0_IRQHandler function needs to be commented out in the stm32f1xx_it.c file.
    IMPORT t
    ;t is a global variable used to store the value of the timer read in the ISR.
    IMPORT exit_pr_addr
    ;exit_pr_addr is the global variable used to store the address of the EXTI_PR register. 
    ;This address is used in the ISR in order to clear the interrupt request flag
    IMPORT tim_cnt_addr
    ;tim_cnt_addr is a global variable used to store the address of the count register in the timer.
    ;This address is used in the ISR in order to read the count value of the timer

EXTI0_IRQHandler
    ;push {r4-r11}
    ;push {r4}
    ;;;t = TIM2->CNT
    ldr r1,=tim_cnt_addr;read global var addr
    ldr r2,[r1]         ;read tim_cnt_addr value
    ldr r2,[r2]         ;read cnt value
    ldr r0,=t           ;get global var t addr
    str r2,[r0]         ;set t = TIM2->CNT
    ;;;clear interupt request flg
    ldr r1,=exit_pr_addr ;read global var addr
    ldr r1,[r1]     ;read exit_pr_addr value
    mov r3,#(1<<0)  ;
    str r3,[r1];
    ;pop {r4}
    ;pop {r4-r11}
    bx lr
    END

使用Keil uVision5 V5.39.0.0进行编译的一些设置.

依附

我已经在STM32F103C8T6上打包了上面提到的项目代码，它在Keil uVision5 V5.39.0.0下编译成功.在IAR平台下，项目代码几乎相同，除了用汇编语言编写的ISR格式有一些不同外，其余代码保持不变.这部分代码在我的附件中的isr_for_iar.s文件中给出.上面提到的代码被作为attachment上传到Google Drive.

有谁能解释我发现的这个奇怪的问题吗？

回答

根据我的实验验证，这个问题的原因与@wek提供的答案完全相同.

我的实验方法如下:我使用一个全局变量cnt，它被初始化为0.每次输入ISR时，我都设置为cnt = cnt + 1.在退出ISR(在主功能中)后，我重置cnt = 0.

//main.c 
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
        TIM2->CNT = 0;      //set timer2 count=0
        EXTI->SWIER |= 1; //call EXIT0 ISR
        for(;i!=0;i--){}    //delay
        printf("[%5d]:TIM time t is :%d\n",line,t);
        printf("[%5d]: cnt is :%d\n",line,cnt);
        printf("***********[%5d]:*******\n",line);
        line++;
        cnt=0;            //cnt is global var
        i = COUNT_NUM;
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }

;ISR.s
    AREA ISR,CODE,READONLY
    EXPORT EXTI0_IRQHandler
    IMPORT t
    IMPORT exit_pr_addr
    IMPORT tim_cnt_addr
    IMPORT cnt
    ;cnt is a global variable used to store the number of times the ISR is entered.

EXTI0_IRQHandler
    ;push {r4-r11}
    ;push {r4}

    ;;;t = TIM2->CNT
    ldr r1,=tim_cnt_addr;read global var addr
    ldr r2,[r1]         ;read tim_cnt_addr value
    ldr r2,[r2]         ;read cnt value
    ldr r0,=t           ;get global var t addr
    str r2,[r0]         ;set t = TIM2->CNT
    
    ;;;set  cnt = cnt + 1
    ldr r0, =cnt;
    ldr r1,[r0]
    add r1,r1,#1;
    str r1,[r0]
    
    ;;;clear interupt request flag
    ldr r1,=exit_pr_addr ;read global var addr
    ldr r1,[r1]     ;read exit_pr_addr value
    mov r3,#(1<<0)  ;
    str r3,[r1];
    
    ;pop {r4}
    ;pop {r4-r11}
    bx lr
    END

根据我的实验，当我 Select 将寄存器压入堆栈时，打印的cnt的值是1.然而，当我 Select 不将寄存器压入堆栈时，打印的cnt的值是2.这意味着如果未将寄存器推送到ISR中的堆栈上，ISR将在退出时重新进入，导致总共有2个条目进入ISR.