Cortex-M3和Cortex-M4 Fault異常應(yīng)用之一 ----- 基礎(chǔ)知識(shí)

1. 摘要

Cortex-M內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效異常處理模塊，可以捕獲非法內(nèi)存訪問(wèn)和數(shù)個(gè)程序錯(cuò)誤條件。本應(yīng)用筆記從程序員角度描述Cortex-M Fault異常，并且講述在軟件開發(fā)周期中的Fault用法。

2. 簡(jiǎn)介

Cortex-M3（以下簡(jiǎn)稱CM3）和Cortex-M4（以下簡(jiǎn)稱CM4）內(nèi)核的Fault異?？梢圆东@非法內(nèi)存方法和非法編程行為。Fault異常能夠檢測(cè)到以下情況：

總線Fault：在取址、數(shù)據(jù)讀/寫、取中斷向量、進(jìn)入/退出中斷時(shí)寄存器堆棧操作（入棧/出棧）時(shí)檢測(cè)到內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤。

存儲(chǔ)器管理Fault：檢測(cè)到內(nèi)存訪問(wèn)違反了MPU定義的區(qū)域。

用法Fault：檢測(cè)到未定義的指令異常，未對(duì)齊的多重加載/存儲(chǔ)內(nèi)存訪問(wèn)。如果使能相應(yīng)控制位，還可以檢測(cè)出除數(shù)為零以及其他未對(duì)齊的內(nèi)存訪問(wèn)。

硬Fault：如果上面的總線Fault、存儲(chǔ)器管理Fault、用法Fault的處理程序不能被執(zhí)行（例如禁能了總線Fault、存儲(chǔ)器管理Fault、用法Fault異?；蛘咴谶@些異常處理程序執(zhí)行過(guò)程中又出現(xiàn)了Fault）則觸發(fā)硬Fault。

本應(yīng)用筆記描述CM3和CM4的Fault異常用法。系統(tǒng)控制寄存器組中的寄存器可以控制Fault異?；蛘咛峁┮l(fā)異常的原因信息。

更深入的文檔

完整的異常描述見《Cortex - M3 Technical Reference Manual》或者《Cortex -M4 Technical Reference Manual》，這兩本參考手冊(cè)都可以在www.arm.com中找到。

另一個(gè)很好的參考書是由Joseph Yiu編寫的《The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3》 （這本書有中文版：宋巖譯的《ARM Cortex-M3權(quán)威指南》）。

3. Cortex-M Fault異常和寄存器

每個(gè)符合CMSIS規(guī)范的編譯器所提供的啟動(dòng)文件（Startup_device）都會(huì)定義好設(shè)備所有的異常和中斷向量。這些向量表定義了異?；蛑袛嗵幚沓绦虻娜肟诘刂?。下表給出了一個(gè)典型的向量表，F(xiàn)ault異常向量用藍(lán)色標(biāo)注。

::__VectorsDCD__initial_sp;棧頂DCDReset_Handler;復(fù)位處理程序入口DCDNMI_Handler;NMI處理程序入口DCDHardFault_Handler;硬Fault處理程序入口DCDMemManage_Handler;存儲(chǔ)器管理處理程序入口DCDBusFault_Handler;總線Fault處理程序入口DCDUsageFault_Handler;用法Fault處理程序入口DCD0;保留::

通?？偸鞘鼓苡睩ault異常的，硬Fault異常具有固定的優(yōu)先級(jí)，并且優(yōu)先級(jí)高于其它Fault異常以及中斷，但低于NMI。硬Fault異常處理程序在以下情況下會(huì)被執(zhí)行：其它非硬Fault異常（非硬Fault異常是指總線、存儲(chǔ)器管理和用法Fault 異常，下同。）被禁能，并且這些Fault異常被觸發(fā)；在執(zhí)行一個(gè)非硬Fault異常處理程序中又產(chǎn)生非硬Fault異常。

所有非硬Fault具有可編程的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)Cortex-M內(nèi)核復(fù)位后，這些非硬Fault被禁能，你可以在應(yīng)用軟件中通過(guò)設(shè)置“系統(tǒng)Handler控制及狀態(tài)寄存器（SHCSR）”來(lái)使能非硬Fault異常。這個(gè)寄存器屬于系統(tǒng)控制模寄存器組（SCB）

3.1 Fault異常的控制寄存器

在這里有必要介紹一下系統(tǒng)控制模塊寄存器組（SCB）的成員，這個(gè)寄存器組的定義可以在core_cm3.h文件中，該文件屬于CMSIS Cortex-M3 內(nèi)核外設(shè)接口抽象層的一部分（關(guān)于不清楚CMSIS的，可以自行查找資料）。定義如下：

1.定義系統(tǒng)控制寄存器組結(jié)構(gòu)體

/**@briefSystemControlBlock(SCB)registerstructuredefinition*/typedefstruct{__Iuint32_tCPUID;/*!
2. 定義系統(tǒng)控制寄存器組物理空間基地址
3. 定義指向系統(tǒng)控制寄存器組的指針
#defineSCB((SCB_Type*)SCB_BASE)/*!
    
   通過(guò)以上三步，我們就可以使用結(jié)構(gòu)體指針SCB來(lái)訪問(wèn)系統(tǒng)控制寄存器組的寄存器了，比如給系統(tǒng)控制寄存器SCR賦值：SCB->SCR=0xFF；
   SCB->CCR寄存器控制除數(shù)為零和未對(duì)齊內(nèi)存訪問(wèn)是否觸發(fā)用法Fault。
   SCB->SHCSR寄存器可用來(lái)使能非硬Fault異常。如果一個(gè)非硬Fault異常被禁能并且相關(guān)Fault發(fā)生，這時(shí)異常會(huì)升級(jí)為硬Fault。SCB->SHP寄存器組控制異常的優(yōu)先級(jí)。
Fault異常控制寄存器列表:
地址/訪問(wèn)
寄存器
復(fù)位值
描述
0xE000ED14
RW 特權(quán)級(jí)
SCB->CCR
0x00000000
配置和控制寄存器：包含控制除數(shù)為零和未對(duì)齊內(nèi)存訪問(wèn)是否觸發(fā)用法Fault的使能位。
0xE000ED18
RW 特權(quán)級(jí)
SCB->SHP[12]
0x00
系統(tǒng)處理程序優(yōu)先級(jí)寄存器：控制異常處理程序的優(yōu)先級(jí)
0xE000ED24
RW特權(quán)級(jí)
SCB->SHCSR
0x00000000
系統(tǒng)處理程序控制和狀態(tài)寄存器
3.1.1 SCB->CCR 寄存器
藍(lán)色部分控制是否使能相應(yīng)的用法Fault
位
名稱
描述
[31:10]
-
保留
[9]
STKALIGN
表示進(jìn)入異常時(shí)的堆棧對(duì)齊。
0：4字節(jié)對(duì)齊
1：8字節(jié)對(duì)齊
進(jìn)入異常時(shí)，處理器使用壓入堆棧的PSR位[9]來(lái)指示堆棧對(duì)齊。從異常返回時(shí)，這個(gè)堆棧位被用來(lái)恢復(fù)正確的堆棧對(duì)齊。
[8]
BFHFNMIGN
使能時(shí)，使得以優(yōu)先級(jí)位-1或-2運(yùn)行的處理程序忽略加載和存儲(chǔ)指令引起的數(shù)據(jù)總線故障。它用于硬故障、NMI和FAULTMASK升級(jí)處理程序中：
0：加載和存儲(chǔ)指令引起的數(shù)據(jù)總線故障會(huì)引起鎖定。
1：以優(yōu)先級(jí)-1或-2運(yùn)行的處理程序忽略加載和存儲(chǔ)指令引起的數(shù)據(jù)總線故障。
僅在處理程序和其數(shù)據(jù)處于絕對(duì)安全的存儲(chǔ)器時(shí)將該位設(shè)為1。一般