Cortex-M3內(nèi)核的異常中斷

有許多朋友在學(xué)習(xí)，或者開發(fā)STM32時都遇到過HardFault_Handler的情況。

那么，又有多少人認(rèn)真去分析過Fault這類異常中斷呢?

下面結(jié)合STM32F1(Cortex‐M3內(nèi)核)來給大家講述一下這些異常中斷的內(nèi)容。

1Cortex‐M3異常

說起Fault，我們就要說一下Cortex‐M3的異常。

Cortex‐M3 在內(nèi)核上搭載了一個異常響應(yīng)系統(tǒng)， 支持為數(shù)眾多的系統(tǒng)異常和外部中斷。

CM3部分異常列表：

這些異常中斷的優(yōu)先級，有些卻是固定的，有些是可以通過軟件來配置，如UART發(fā)送中斷、DMA中斷等。

相信大家看到這個列表不會陌生，因為在STM32的啟動代碼，中斷代碼中都會看到這些異常。

比如在stm32f10x_it.c文件中，就能看到HardFault_Handler這類Fault異常。

向量表

當(dāng)發(fā)生了異常并且要響應(yīng)它時， CM3 需要定位其處理例程的入口地址。這些入口地址存儲在“(異常)向量表”中。而我們的中斷函數(shù)就對應(yīng)有一個入口地址。

2Fault錯誤異常

在Cortex‐M3中的Fault這種錯誤異常有：

BusFault總線錯誤

MemManageFault存儲器管理錯誤

UsageFault用法錯誤

HardFault硬錯誤

1.BusFault總線錯誤當(dāng) AHB 接口上正在傳送數(shù)據(jù)時，如果回復(fù)了一個錯誤信號，則會產(chǎn)生總線錯誤。

產(chǎn)生的場合可以是：

取指，通常被稱作“預(yù)取流產(chǎn)”(prefetch abort)

數(shù)據(jù)讀/寫，通常被稱作“數(shù)據(jù)流產(chǎn)”(data abort)

執(zhí)行如下動作可以觸發(fā)總線異常：

中斷處理起始階段的堆棧 PUSH 動作。稱為“入棧錯誤”

中斷處理收尾階段的堆棧 POP 動作。稱為“出棧錯誤”

在處理器啟動中斷處理序列(sequence)后的向量讀取時。這是一種罕見的特殊情況，被歸類為硬錯誤。

總線錯誤誘因：

企圖訪問無效的存儲器 region。常見于訪問的地址沒有相對應(yīng)的存儲器。

設(shè)備還沒有作好傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。比如，在尚未初始化 SDRAM 控制器的時候試圖訪問 SDRAM。

在企圖啟動一次數(shù)據(jù)傳送時，傳送的尺寸不能為目標(biāo)設(shè)備所支持。例如，某設(shè)備只接受字型數(shù)據(jù)，卻試圖送給它字節(jié)型數(shù)據(jù)。

因為某些原因，設(shè)備不能接受數(shù)據(jù)傳送。例如，某些設(shè)備只有在特權(quán)級下才允許訪問，可當(dāng)前卻是用戶級。

2.MemManageFault存儲器管理錯誤存儲器管理錯誤多與MPU(內(nèi)存保護單元)有關(guān)，其誘因常常是某次訪問觸犯了MPU設(shè)置的保護策略。

常見誘因：

訪問了 MPU 設(shè)置區(qū)域覆蓋范圍之外的地址

往只讀 region 寫數(shù)據(jù)

用戶級下訪問了只允許在特權(quán)級下訪問的地址

在CM3手冊中有這樣一段話：在 MemManage fault 發(fā)生后，如果其服務(wù)例程是使能的，則執(zhí)行服務(wù)例程。如果同時還發(fā)生了其它高優(yōu)先級異常，則優(yōu)先處理這些高優(yōu)先級的異常， MemManage 異常被懸起。

如果此時處理器已經(jīng)在處理同級或高優(yōu)先級異常，或者 MemManage fault 服務(wù)例程被除能，則和總線 fault 一樣：上訪成硬 fault，最終執(zhí)行的是硬 fault 的服務(wù)例程。

當(dāng)我們程序內(nèi)存訪問越界，我們會發(fā)現(xiàn)，程序會進入HardFault_Handler中斷服務(wù)程序。可以結(jié)合上面那一段話理解一下。

3.UsageFault用法錯誤用法錯誤發(fā)生的誘因：

執(zhí)行了未定義的指令

執(zhí)行了協(xié)處理器指令(Cortex‐M3 不支持協(xié)處理器，但是可以通過 fault 異常機制來使用軟件模擬協(xié)處理器的功能，從而可以方便地在其它 Cortex 處理器間移植)

嘗試進入 ARM 狀態(tài)(因為 CM3 不支持 ARM 狀態(tài)，所以用法 fault 會在切換時產(chǎn)生。軟件可以利用此機制來測試某處理器是否支持 ARM 狀態(tài))

無效的中斷返回(LR 中包含了無效/錯誤的值)

使用多重加載/存儲指令時，地址沒有對齊。另外，通過設(shè)置 NVIC 的對應(yīng)控制位，可以在下列場合下也產(chǎn)生用法 fault：

除數(shù)為零

任何未對齊的訪問

4.HardFault硬錯誤HardFault硬錯誤是上面說的三種錯誤“上訪”的結(jié)果。如果這些fault錯誤的服務(wù)例程無法執(zhí)行，它們就會成為“硬傷”——上訪(escalation)成HardFault硬錯誤。

在NVIC 中有一個HardFault硬錯誤狀態(tài)寄存器(HFSR)，它指出產(chǎn)生HardFault硬錯誤的原因。

狀態(tài)寄存器(HFSR)：

3如何應(yīng)對Fault錯誤異常

在軟件開發(fā)過程中，我們可以根據(jù)各種 fault錯誤 狀態(tài)寄存器的值來判定程序錯誤，并且改正它們。下面給出了各種 faults 的常見誘因，以及應(yīng)對攻略。

MemManage fault 狀態(tài)寄存器提供的訊息：

總線 fault 狀態(tài)寄存器提供的訊息：

用法 fault 狀態(tài)寄存器提供的訊息：

硬 fault 狀態(tài)寄存器提供的訊息：

常見應(yīng)對Fault錯誤的方法：1.恢復(fù)：在一些場合下，還是有希望解決產(chǎn)生 fault 的問題的。例如，如果程序嘗試訪問了協(xié)處理器，可以通過一個協(xié)處理器的軟件模擬器來解決此問題——當(dāng)然是以犧牲性能為代價的，要不然還要硬件加速干啥。

2.中止相關(guān)任務(wù)：如果系統(tǒng)運行了一個 RTOS，則相關(guān)的任務(wù)可以被終結(jié)或者重新開始。

3.復(fù)位：這也是最后一招。通過設(shè)置 NVIC“應(yīng)用程序中斷及復(fù)位控制寄存器”中的VECTRESET 位，將只復(fù)位處理器內(nèi)核而不復(fù)位其它片上設(shè)施。取決于芯片的復(fù)位設(shè)計，有些CM3 芯片可以使用該寄存器的 SYSRESETREQ 位來復(fù)位。這種只限于內(nèi)核中的復(fù)位不會復(fù)位其它系統(tǒng)部件。

當(dāng)然，說了這么多，我們還是要從根源出發(fā)，平時保持良好的編程習(xí)慣，以及遵循必要的編程規(guī)范。

原文標(biāo)題：ARM基礎(chǔ)教程 | 深入 Cortex‐M3 的 Faults異常

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審核編輯：湯梓紅