工程師筆記|一個地址未對齊引起的 HardFault 異常

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1. 概述

2. 問題描述與分析

3. 問題解決

4. 總結(jié)

客戶在使用 STM32G070 的時候，KEIL MDK 為編譯工具，當編譯優(yōu)化選項設置為Level0 的時候，程序會出現(xiàn) Hard Fault 異常，而當編譯優(yōu)化選項設置為 Level1 的時候，則程序運行正常。

表面上看，這似乎是 KEIL MDK 的問題，通過分析，導致這個問題的本質(zhì)原因是內(nèi)存地址沒有對齊引起的，下面章節(jié)將詳細分析該問題的來龍去脈以及解決方法。

根據(jù)客戶的反饋，引起問題的代碼很簡單，客戶定義了幾個全局數(shù)組，在主程序中訪問這幾個數(shù)組就會出現(xiàn) Hard Fault 異常，參考代碼如下。

把客戶提供的代碼片段移植到 NUCLEO-G070RB 開發(fā)板上，問題很容易就復現(xiàn)了，代碼本身功能簡單，寫法上也沒有錯誤，所以從代碼片段本身上看，無法確定問題出在哪里，通過 KEIL 調(diào)試器，在匯編窗口單步調(diào)試下，最終發(fā)現(xiàn)導致 HardFault 異常的語句為下圖所示語句。

根據(jù)單步調(diào)試得知出現(xiàn)問題的語句為 LDR 指令，參考 Cortex M0 編程手冊 PM0223 得知 LDR 指令的作用是從內(nèi)存地址中加載一個 WORD 數(shù)據(jù)到目的寄存器 Rt 中，其中內(nèi)存地址根據(jù) Rn 或者 SP 寄存器的值以及立即數(shù) imm 得到。

根據(jù)指令的描述，使用 LDR 指令的時候，通過 Rn 和 imm 計算得到的內(nèi)存地址必須是讀取字節(jié)數(shù)的倍數(shù)，LDR 每次讀取一個 WORD，所以使用 LDR 指令時，內(nèi)存地址必須 4字節(jié)對齊。如果地址沒有對齊，則會導致 HardFault 異常。

結(jié)合 LDR 指令的描述，在調(diào)試狀態(tài)下，通過查看寄存器值，圖 2 出錯語句中根據(jù) Rn和 imm 計算得到的內(nèi)存地址為 R0=0x2000000B,imm=4 所以內(nèi)存地址為 0x2000000F,很顯然這個地址不是 4 字節(jié)對齊的。

而當我們改變編譯優(yōu)化選項為 Level1 時，得到的內(nèi)存地址為R0=0x20000000,imm=0x04 顯然這個地址是按照 4 字節(jié)對齊的，所以這種情況下是不會出現(xiàn) HardFault 異常的，印證了客戶的問題現(xiàn)象。

通過上一節(jié)的分析，明確了導致該問題的本質(zhì)原因是內(nèi)存地址沒有對齊，這個內(nèi)存地址實際上是代碼中定義的全局變量 g_curPlaySound_app 指向的地址，也就是全局數(shù)組變量 SoundFile 的地址，在編譯器不同的優(yōu)化選項下，分配給 SoundFile 變量的地址是不一樣的，在本案例中，編譯優(yōu)化選項 Level0 條件下，SoundFile 分配的地址沒有按照WORD 對齊，而在優(yōu)化選項 Level1 條件下，SoundFile 分配的地址是 WORD 對齊，所以在兩種優(yōu)化選項下，出現(xiàn)了不一樣的運行結(jié)果。

所以要保證程序不出錯，當通過指針訪問變量的時候，要確保指針指向的地址是 4 字節(jié)對齊的，在 Keil 環(huán)境下，可以通過__attribute__((aligned (4))) 關鍵字實現(xiàn)，如下圖所示，通過該關鍵字，對齊了地址，也就不會出現(xiàn) HardFault 異常了。

圖6 確保地址對齊

地址未對齊是嵌入式系統(tǒng)中容易忽視的一個細節(jié)，忽視這點往往會導致一些奇怪的問題，所以在開發(fā)過程中，注意這些細節(jié)還是很有必要的。

參考文獻：PM0223 Programming maual