Cortex-M NVIC 인터럽트 처리: 벡터 테이블과 예외 우선순위

8장 Interrupt Mechanism 개요

Interrupt는 프로세서의 정상 실행 흐름을 중단시키고 특정 handler routine을 실행한 뒤 복귀하는 메커니즘. 주변 장치, 타이머, fault 등 비동기 이벤트에 즉각 반응하기 위해 필수적이다.

Interrupt vs Exception

• Interrupt: 비동기 (외부 이벤트, 주변 장치에서 발생)
• Exception: 동기 (명령어 실행 중 발생 — SVC, fault)
• ARM에서는 둘 다 Exception으로 통일 처리

NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller)

Cortex-M의 핵심: NVIC이 interrupt 처리.

주요 기능

• Vectored interrupts: 각 IRQ마다 전용 vector (자동 분기)
• Nested interrupts: 높은 우선순위 IRQ가 낮은 것을 선점 (preemption)
• Priority levels: 프로그래머가 설정 가능 (M0: 4 levels, M3: 8~256)
• Dynamic priority: runtime에 변경 가능
• Masking: PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI

Vector Table

메모리 0x00000000에 위치. 각 exception의 handler address 저장:

Reset 시 Initial SP 값이 R13에 로드되고, Reset vector로 PC가 점프.

Interrupt 처리 순서

1. External event (예: UART RX) → Peripheral이 IRQ signal assert
2. NVIC이 IRQ를 감지, priority 확인
3. 현재 실행 코드보다 우선순위가 높으면 preempt
4. Stacking: xPSR, PC, LR, R12, R3, R2, R1, R0을 stack에 push (8개 word)
5. Vector fetch: Vector table에서 handler address 읽음
6. Handler 실행 (Handler mode, privileged)
7. Exit: BX LR 또는 POP {..., PC} — EXC_RETURN 값 로드
8. Unstacking: Stack frame에서 자동 복원, 원래 코드로 복귀

Exception Priority

• 고정 우선순위: Reset (-3) > NMI (-2) > HardFault (-1)
• 구성 가능: 나머지 모든 exception
• 낮은 숫자 = 높은 우선순위

Cortex-M0의 priority field는 2-bit → 4 level. Cortex-M3는 3~8 bit.

Preemption & Nested

Main → IRQ_A handler 실행
      → 더 높은 우선순위 IRQ_B 발생
      → IRQ_A 중단 (preempted), 새 stack frame push
      → IRQ_B handler 실행
      → IRQ_B 완료 → IRQ_A로 복귀
      → IRQ_A 완료 → Main으로 복귀

Stack에 frame이 쌓이므로 stack 깊이 충분히 확보 필요.

Tail-Chaining

Cortex-M의 최적화: 연속된 IRQ 처리 시 unstack + restack 생략:

Main → IRQ_A → (끝나자마자 IRQ_B pending)
                → Stack pop 생략하고 바로 IRQ_B handler 호출
                → IRQ_B 끝나면 한 번만 unstack → Main 복귀

→ Latency 감소, 전력 절약.

Late Arrival

IRQ_A 처리 중 stacking 도중에 더 높은 IRQ_B 발생 → stacking 완료되자마자 IRQ_B로 분기 (IRQ_A는 pending).

Interrupt Masking

PRIMASK

• bit 0: 1이면 configurable exception 모두 mask (NMI, HardFault 제외)
• CPSID I / CPSIE I로 설정

FAULTMASK (Cortex-M3 이상)

• 1이면 NMI 제외 모두 mask

BASEPRI (Cortex-M3 이상)

• 이 값보다 낮은 우선순위 IRQ mask

NVIC Register

• ISER (Interrupt Set-Enable Register)
• ICER (Interrupt Clear-Enable)
• ISPR (Set Pending)
• ICPR (Clear Pending)
• IP (Interrupt Priority) — 각 IRQ의 priority 설정

예: IRQ 5 활성화:

NVIC->ISER[0] = (1 << 5);

Exception Handler 작성

C 코드로 handler 작성 가능. Compiler가 AAPCS (ARM calling convention) 따라 자동 처리:

void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) {
        uint8_t data = USART1->DR;
        // 처리
    }
}

Vector table의 0x4C (IRQ 3 가정)에 handler address가 등록되어 있어야 함. Startup 코드(linker script)에서 설정.

정리

NVIC은 실시간 응답성과 우선순위 기반 선점을 제공해 Cortex-M이 실시간 임베디드 시스템의 표준이 되게 한 핵심이다.