手把手教你从零写一个Cortex-M的中断服务程序

你有没有过这样的经历：明明配置好了GPIO中断，可就是进不去ISR？或者一进中断就卡死，反复重启？又或者好不容易进去了，却发现数据错乱、堆栈溢出？

别急——这几乎每个嵌入式新手都会踩的坑。问题往往不在于外设配置，而在于对中断底层机制的理解不够深。

今天，我们就抛开开发板SDK和HAL库的“黑箱”，从最原始的启动文件开始，手把手实现一个真正属于你自己的、可运行的Cortex-M中断服务程序（ISR）。整个过程不依赖任何高级框架，只用标准C和汇编，带你彻底搞懂：

当中断发生时，CPU到底干了什么？你的函数又是如何被调用的？

中断不是魔法：它是一场精密的软硬协同演出

在Cortex-M的世界里，中断并不是“注册个回调就能用”的简单事。它是一次硬件与软件的深度协作，涉及处理器核心、NVIC控制器、向量表、堆栈、链接脚本、编译器行为等多个层面。

想象一下这个场景：

你按下按键，GPIO检测到电平变化，产生一个中断请求。不到12个时钟周期后，CPU暂停当前任务，自动保存现场，跳转到你写的EXTI0_IRQHandler()函数执行代码——这一切，没有操作系统参与，也没有延迟。

这种极致响应的背后，是Arm为Cortex-M精心设计的一套异常模型。我们要做的，就是理解并驾驭这套系统。

第一步：让芯片“认得”你的中断函数 —— 向量表才是起点

很多人以为main()是程序的入口。错了。

对于Cortex-M来说，真正的起点是中断向量表（IVT）。

向量表长什么样？

它就是一个存放在Flash起始地址的数组，每个元素4字节，代表一个函数指针：

上电瞬间，处理器首先读取前两个字：
- 第一个字 → 设置MSP
- 第二个字 → 跳过去执行复位程序

所以，如果你的向量表没放对位置，或者内容不对，程序根本不会启动。

如何定义这个表？靠汇编 + 链接控制

我们创建一个startup.s文件，用GNU汇编语法定义向量表：

.section .vector_table, "a", %progbits .cpu cortex-m4 .thumb .global g_pfnVectors .extern Reset_Handler g_pfnVectors: .word _estack /* MSP初值 */ .word Reset_Handler /* 复位入口 */ .word NMI_Handler .word HardFault_Handler .word MemManage_Handler .word BusFault_Handler .word UsageFault_Handler .rept 4 /* 保留4个 */ .word 0 .endr .word SVC_Handler .word DebugMon_Handler .word 0 .word PendSV_Handler .word SysTick_Handler /* 外部中断 */ .word WWDG_IRQHandler .word PVD_IRQHandler .word TAMP_STAMP_IRQHandler .word RTC_WKUP_IRQHandler .word FLASH_IRQHandler .word RCC_IRQHandler .word EXTI0_IRQHandler /* 我们的目标！ */ .word EXTI1_IRQHandler

注意这里的关键点：
-.section .vector_table：声明这是一个独立段，方便链接器定位。
-g_pfnVectors是符号名，在C中可通过SCB->VTOR = (uint32_t)&g_pfnVectors;重定位。
- 每个.word填的是函数名，最终由链接器替换成真实地址。

第二步：建立默认处理程序，防止程序跑飞

如果某个中断被触发，但没有对应的处理函数怎么办？程序很可能跳到非法地址，直接崩溃。

解决办法很简单：给所有未使用的中断提供一个通用兜底函数。

.weak NMI_Handler .weak HardFault_Handler .weak MemManage_Handler .set NMI_Handler, Default_Handler .set HardFault_Handler, Default_Handler .set MemManage_Handler, Default_Handler Default_Handler: b Default_Handler /* 死循环，便于调试发现错误 */ .size Default_Handler, . - Default_Handler

.weak表示这些符号可以被C文件中的同名强符号覆盖。比如你在C里写了void EXTI0_IRQHandler(void)，链接器就会忽略这里的弱定义，使用你的版本。

这就是为什么你可以“自由实现”中断函数的根本原因。

第三步：编写真正的ISR —— C语言也能玩底层

现在轮到我们动手写中断服务程序了。

#include "stm32f4xx.h" // 假设使用STM32F4 // 声明为interrupt属性（GCC），增强语义清晰度 void EXTI0_IRQHandler(void) __attribute__((interrupt)); void EXTI0_IRQHandler(void) { // 必须检查中断标志位！避免虚假触发 if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0) { // 执行轻量操作：例如翻转LED GPIOA->ODR ^= GPIO_ODR_ODR_5; // ⚠️ 关键：清除挂起位，否则会无限进入中断 EXTI->PR = EXTI_PR_PR0; } }

几个重点提醒：

1. 为什么必须清标志？

因为NVIC只会响应一次“从无到有”的中断脉冲。一旦触发，即使你return了，只要PR寄存器里的pending位还置着，下个周期它还会再来找你。

结果就是：CPU卡死在ISR里出不来。

2. ISR里不要做重活！

禁止在ISR中调用：
-printf()
-malloc()
- 浮点运算（除非开启FPU且上下文已保存）
- 任何可能阻塞或递归的函数

推荐做法：设标志位，主循环处理。

volatile uint8_t button_pressed = 0; void EXTI0_IRQHandler(void) { if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0) { button_pressed = 1; EXTI->PR = EXTI_PR_PR0; } } int main(void) { SystemInit(); Button_Init(); LED_Init(); while (1) { if (button_pressed) { ProcessButton(); // 在主循环中处理复杂逻辑 button_pressed = 0; } __WFI(); // 等待中断，省电 } }

第四步：链接脚本定乾坤 —— 让一切落在正确位置

再好的代码，如果没放到正确的内存地址，也是一堆废铁。

我们需要一个.ld链接脚本，告诉链接器：“把向量表放Flash开头”。

MEMORY { FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 1M SRAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K } ENTRY(Reset_Handler) SECTIONS { .vector_table ALIGN(4) : { KEEP(*(.vector_table)) } > FLASH .text : { *(.text*) *(.rodata*) } > FLASH .data : { PROVIDE(__data_start__ = .); *(.data*) PROVIDE(__data_end__ = .); } > SRAM AT > FLASH .bss : { PROVIDE(__bss_start__ = .); *(.bss*) *(COMMON) PROVIDE(__bss_end__ = .); } > SRAM }

关键点解析：

• KEEP(*(.vector_table))：强制保留该段，防止被优化掉。
• AT > FLASH：.data虽然运行时在SRAM，但烧录时跟随代码存在Flash中，需由启动代码复制。
• ALIGN(4)：确保向量表按4字节对齐（实际要求更严格，此处简化）。

第五步：复位之后发生了什么？揭秘启动流程

回到startup.s，我们还需要实现Reset_Handler：

Reset_Handler: /* 关闭看门狗等（如有） */ ldr r0, =RCC_AHB1ENR ldr r1, [r0] orr r1, r1, #(1 << 0) /* 使能GPIOA时钟（示例） */ str r1, [r0] /* 初始化.data段：从Flash拷贝到SRAM */ ldr r0, =__etext ldr r1, =__data_start__ ldr r2, =__data_end__ subs r2, r2, r1 ble .L_data_init_done .L_data_loop: sub r2, r2, #4 ldr r3, [r0, r2] str r3, [r1, r2] bne .L_data_loop .L_data_init_done: /* 清零.bss段 */ ldr r0, =__bss_start__ ldr r1, =__bss_end__ movs r2, #0 .L_bss_loop: cmp r0, r1 bge .L_bss_done str r2, [r0], #4 b .L_bss_loop .L_bss_done: /* 跳转到main */ ldr r0, =main bx r0

这段汇编完成了C运行环境初始化：
- 复制.data
- 清零.bss
- 最终跳转至main()

没有它，全局变量都不会正常工作。

实战验证：完整工程结构一览

你现在需要的最小文件集如下：

project/ ├── startup.s // 向量表与启动代码 ├── linker.ld // 链接脚本 ├── main.c // 包含ISR和main函数 └── system_stm32f4xx.c // 系统时钟初始化（可选）

编译命令示例（使用ARM GCC）：

arm-none-eabi-gcc \ -mcpu=cortex-m4 \ -mthumb \ -O0 \ -nostartfiles \ -T linker.ld \ startup.s main.c \ -o firmware.elf # 生成bin用于烧录 arm-none-eabi-objcopy -O binary firmware.elf firmware.bin

-nostartfiles表示不使用标准启动文件，因为我们自己提供了。

常见坑点与避坑秘籍

更进一步：你能怎么扩展？

掌握了基础，就可以玩得更深了：

• 动态重映射向量表：实现双Bank Flash切换，支持OTA升级。
• 高优先级中断抢占：配置NVIC_SetPriority()，构建实时任务调度。
• SysTick做时间基准：配合PendSV实现协程或多任务轻量调度。
• Fault Handler调试技巧：从HardFault中提取PC、LR、SP等信息定位崩溃源头。

写在最后：为什么你还应该懂这些底层细节？

现在的开发越来越“傻瓜化”：CubeMX一键生成代码，HAL库封装一切。但正因如此，一旦出现问题，很多人束手无策。

当你遇到以下情况时，你会感谢今天花时间理解这些原理：
- OTA升级后中断失效？
- RTOS下PendSV不触发？
- 自定义Bootloader跳转APP失败？

这些问题的答案，全都藏在向量表、堆栈、链接脚本、复位流程之中。

掌握ISR全流程，不只是为了写个中断函数，而是为了建立起一种软硬一体的系统级思维。这才是嵌入式工程师的核心竞争力。

所以，下次再有人问你：“中断是怎么工作的？”
你可以自信地说：

“让我从向量表的第一行开始讲起……”

如果你正在尝试搭建自己的裸机框架或轻量级RTOS，欢迎留言交流经验。也可以分享你在调试中断时踩过的坑，我们一起排雷。