Cortex-M0處理器內(nèi)核異常中斷簡介

1. Cortex-M0 處理器內(nèi)核異常中斷簡介

在Cortex‐M0內(nèi)核上搭載了一個異常響應系統(tǒng)，支持眾多的系統(tǒng)異常和外部中斷。其中，編號為1－15的對應系統(tǒng)異常，大于等于16的則全是外部中斷，優(yōu)先級的數(shù)值越小，則優(yōu)先級越高。除了個別異常的優(yōu)先級被定死外，其它異常的優(yōu)先級都是可編程的。

因為芯片設計可以修改內(nèi)核的硬件描述源代碼，所以做成芯片后，支持的中斷源數(shù)目常常不到240 個，并且優(yōu)先級的位數(shù)也由芯片廠商最終決定。

類型編號為 1－15 對應系統(tǒng)異常，在《ARM Cortex-M0權威指南》一書中的第12章節(jié)<錯誤處理>章節(jié)中有描述：對于ARM處理器，架構(gòu)采用錯誤異常的機制來檢測問題，當一個程序產(chǎn)生了錯誤并且被處理器檢測到時，異常中斷會被觸發(fā)，并且核心會跳轉(zhuǎn)到相應的異常終端處理函數(shù)執(zhí)行，錯誤異常的中斷有如下：

Reset

在上下電、NRST拉低、看門狗復位或軟復位時啟動復位。當復位產(chǎn)生時，處理器停止一切操作，并將復位當做一種特殊形式的異常來執(zhí)行，進入到對應的中斷函數(shù)。當復位撤銷時，從向量表中復位項提供的地址處重新啟動執(zhí)行，芯片重新開始執(zhí)行。

NMI

不可屏蔽中斷（NMI），可以由外設產(chǎn)生，也可以由軟件來觸發(fā)。這是除復位之外優(yōu)先級最高的異常中斷，NMI永遠使能，優(yōu)先級固定為-2，CSS的時鐘安全機制使能判定時鐘失效后就會進入到該中斷。NMI 不能：

1、被屏蔽，它的執(zhí)行也不能被其他任何異常中止；
2、被除復位之外的任何異常搶占。

HardFault

HardFault 是由于在正常操作過程中或在異常處理過程中出現(xiàn)錯誤而出現(xiàn)的一個異常。HardFault的優(yōu)先級固定為-1，表明它的優(yōu)先級要高于任何優(yōu)先級可配置的異常。

SVCall

管理程序調(diào)用（SVC）異常是一個由SVC指令觸發(fā)的異常。在OS環(huán)境下，應用程序可以使用 SVC指令來訪問OS內(nèi)核函數(shù)和器件驅(qū)動。

PendSV

PendSV是一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)級服務請求。在OS環(huán)境下，當沒有其它異常有效時，使用 PendSV 來進行任務切換。

SysTick

SysTick是一個系統(tǒng)定時器到達零時產(chǎn)生的異常，軟件也可以產(chǎn)生一個SysTick異常。在OS環(huán)境下，處理器可以將這個異常用作系統(tǒng)節(jié)拍。

中斷（IRQ）

中斷（或 IRQ）是外設發(fā)出的一個異常，或者由軟件請求產(chǎn)生的一個異常。在系統(tǒng)中，外設使用中斷來與處理器通信，在中斷函數(shù)中可以查詢和清除標志操作。

2. HardFault異常

HardFault (硬件錯誤，也有譯為硬錯誤)是在MCU上編寫程序中所產(chǎn)生的錯誤，硬件錯誤處理幾乎是最高優(yōu)先級，它的優(yōu)先級為-1，只有復位和不可屏蔽中斷(NMI)可以對其進行搶占。當它發(fā)生時，表示處理器出現(xiàn)了問題，需要采取緊急修復措施。

造成HardFault錯誤的可能原因較多，如何在代碼量較大的情況下，快速定位造成的HardFault的問題代碼，就成為比較關鍵的問題。

本文將以MM32F0130系列MCU為例，Keil-MDK開發(fā)環(huán)境，總結(jié)HardFault的調(diào)試、定位方法。在其它Cortex-M0 (M3，M4)內(nèi)核處理器，和其它開發(fā)環(huán)境下，也可作為參考。

2.1 可能的原因

《ARM Cortex-M0權威指南》中提到，關于 Cortex M0內(nèi)核主要有以下幾點引起HardFault的原因：

• 非法存儲器訪問

• 非對齊數(shù)據(jù)訪問

• 從總線返回錯誤

• 異常處理中的棧被破壞

• 程序在某些 C 函數(shù)中崩潰

• 意外地試圖切換至 ARM 狀態(tài)

• 在錯誤的優(yōu)先級上執(zhí)行系統(tǒng)服務調(diào)用指令(SVC)

• 數(shù)組越界

• 野指針

• 未初始化硬件卻開始操作，或無中斷服務函數(shù)等

• 任務堆棧溢出

• 中斷服務函數(shù)設置錯誤

• 時鐘異常

2.2 可能出現(xiàn)的異常

• 出現(xiàn)復位

• 調(diào)試器將鎖定狀態(tài)終止，出現(xiàn)中止仿真的現(xiàn)象

• 出現(xiàn)一個NMI，以及當前的鎖定處于HardFault處理程序中

voidHardFault_Handler(void)
{/*GotoinfiniteloopwhenHardFaultexceptionoccurs*/
while(1)
{
}
}

下面將在MM32F0130上運行的數(shù)組越界代碼為例，具體闡述定位步驟：

voidStackTest(void)
{intdata[3],i;
for(i=0;i<10000;?i++)
????{
????data[i]=1;
????}
}

3. 查找HardFault方法和步驟

實際環(huán)境中，由于測試高壓等產(chǎn)品常常無法連接調(diào)試器，故需要代碼來定位目標語句地址，并通過一定手段保存：

在MM32F0130中，需先修改啟動文件startup\_mm32f013x.s：

HardFault_Handler
PROC
IMPORThard_fault_handler_c;函數(shù)聲明
MOVSr0,#4;判斷主棧指針還是進程棧指針
MOVr1,LR
TSTr0,r1
BEQstacking_used_MSP;如果是主棧指針
MRSR0,PSP;否則是進程棧指針,把進程棧指針地址付給R0
Bget_LR_and_branch;跳轉(zhuǎn)到HardFault中斷程序
stacking_used_MSP
MRSR0,MSP;把主棧指針地址賦給R0
get_LR_and_branch
MOVR1,LR

BLhard_fault_handler_c
ENDP

該段代碼會判斷當前堆棧使用的是MSP或PSP，然后將堆棧參數(shù)傳遞給hard\_fault\_handler\_c函數(shù)，該函數(shù)定義如下：

voidhard_fault_handler_c(unsignedint*hardfault_args,unsignedlr_value)
{unsignedintstacked_r0;//壓棧的r0
unsignedintstacked_r1;//壓棧的r1
unsignedintstacked_r2;//壓棧的r2
unsignedintstacked_r3;//壓棧的r3
unsignedintstacked_r12;//壓棧的r12
unsignedintstacked_lr;//壓棧的lr
unsignedintstacked_pc;//壓棧的pc
unsignedintstacked_psr;//壓棧的psr

stacked_r0=((unsignedint)hardfault_args[0]);
stacked_r1=((unsignedint)hardfault_args[1]);
stacked_r2=((unsignedint)hardfault_args[2]);
stacked_r3=((unsignedint)hardfault_args[3]);
stacked_r12=((unsignedint)hardfault_args[4]);
stacked_lr=((unsignedint)hardfault_args[5]);
stacked_pc=((unsignedint)hardfault_args[6]);
stacked_psr=((unsignedint)hardfault_args[7]);

while(1)
{
printf("[Hardfaulthandler]
");
printf("R0=%x
",stacked_r0);
printf("R1=%x
",stacked_r1);
printf("R2=%x
",stacked_r2);
printf("R3=%x
",stacked_r3);
printf("R12=%x
",stacked_r12);
printf("StackedLR=%x
",stacked_lr);
printf("StackedPC=%x
",stacked_pc);
printf("StackedPSR=%x
",stacked_psr);
printf("SCB_SHCSR=%x
",SCB->SHCSR);
printf("CurrentLR=%x
",lr_value);
}
}

處理器進入到HardFault，將R0~R3、R12、LR、PC信息通過串口打印，根據(jù)寄存器信息排查問題代碼。

當處理器處理異常時，除非異常是一個末尾連鎖異?；蜻t來的異常，否則，處理器把信息都壓入到當前堆棧中入棧（stacking），8個數(shù)據(jù)字的結(jié)構(gòu)被稱為棧幀（stack frame），棧按照雙字地址對齊方式。

入棧后，堆棧指針立刻指向棧幀的最低地址單元。棧包含返回地址，這是被中止的程序中下條指令的地址。這個值在異常返回時返還給 PC，使被中止的程序恢復執(zhí)行。

如下圖連接仿真器查看匯編的地址可以找到是程序問題，根據(jù)PC指針地址，在程序生成的.map中查找出問題函數(shù)。

4. 處理建議

根據(jù)上述的定位手段可以查找是哪一種情況造成的異常，在編程過程中需要避免出現(xiàn)上述異常情況，但是在惡劣復雜的環(huán)境下，可能會小概率觸發(fā)HardFault中斷，可以在函數(shù)中添加復位或者跳轉(zhuǎn)指令，具體的實現(xiàn)方式需根據(jù)應用和使用環(huán)境來評估。