Cortex‐M3的Faults異常究竟是什么？

作者 | strongerHuang

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有許多朋友在學(xué)習(xí)，或者開發(fā)STM32時(shí)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(gè)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(jí)，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(gè)列表不會(huì)陌生，因?yàn)樵赟TM32的啟動(dòng)代碼，中斷代碼中都會(huì)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(shí)， CM3 需要定位其處理例程的入口地址。這些入口地址存儲(chǔ)在“（異常）向量表”中。而我們的中斷函數(shù)就對(duì)應(yīng)有一個(gè)入口地址。

2Fault錯(cuò)誤異常

在Cortex‐M3中的Fault這種錯(cuò)誤異常有：

• BusFault總線錯(cuò)誤

• MemManageFault存儲(chǔ)器管理錯(cuò)誤

• UsageFault用法錯(cuò)誤

• HardFault硬錯(cuò)誤

1.BusFault總線錯(cuò)誤
當(dāng) AHB 接口上正在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，如果回復(fù)了一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)，則會(huì)產(chǎn)生總線錯(cuò)誤。
產(chǎn)生的場(chǎng)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(dòng)作可以觸發(fā)總線異常：

• 中斷處理起始階段的堆棧 PUSH 動(dòng)作。稱為“入棧錯(cuò)誤”
• 中斷處理收尾階段的堆棧 POP 動(dòng)作。稱為“出棧錯(cuò)誤”
• 在處理器啟動(dòng)中斷處理序列(sequence)后的向量讀取時(shí)。這是一種罕見的特殊情況，被歸類為硬錯(cuò)誤。

總線錯(cuò)誤誘因：

• 企圖訪問無效的存儲(chǔ)器 region。常見于訪問的地址沒有相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)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(shí)候試圖訪問 SDRAM。
• 在企圖啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳送時(shí)，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?yàn)槟承┰?，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(jí)下才允許訪問，可當(dāng)前卻是用戶級(jí)。

2.MemManageFault存儲(chǔ)器管理錯(cuò)誤
存儲(chǔ)器管理錯(cuò)誤多與MPU（內(nèi)存保護(hù)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(hù)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(jí)下訪問了只允許在特權(quán)級(jí)下訪問的地址

在CM3手冊(cè)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(shí)還發(fā)生了其它高優(yōu)先級(jí)異常，則優(yōu)先處理這些高優(yōu)先級(jí)的異常， MemManage 異常被懸起。
如果此時(shí)處理器已經(jīng)在處理同級(jí)或高優(yōu)先級(jí)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(huì)發(fā)現(xiàn)，程序會(huì)進(jìn)入HardFault_Handler中斷服務(wù)程序?？梢越Y(jié)合上面那一段話理解一下。
3.UsageFault用法錯(cuò)誤 用法錯(cuò)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(jī)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(jìn)入 ARM 狀態(tài)（因?yàn)?CM3 不支持 ARM 狀態(tài)，所以用法 fault 會(huì)在切換時(shí)產(chǎn)生。軟件可以利用此機(jī)制來測(cè)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(cuò)誤的值）
• 使用多重加載/存儲(chǔ)指令時(shí)，地址沒有對(duì)齊。另外，通過設(shè)置 NVIC 的對(duì)應(yīng)控制位，可以在下列場(chǎng)合下也產(chǎn)生用法 fault：
• 除數(shù)為零
• 任何未對(duì)齊的訪問

4.HardFault硬錯(cuò)誤 HardFault硬錯(cuò)誤是上面說的三種錯(cuò)誤“上訪”的結(jié)果。如果這些fault錯(cuò)誤的服務(wù)例程無法執(zhí)行，它們就會(huì)成為“硬傷”——上訪（escalation）成HardFault硬錯(cuò)誤。
在NVIC 中有一個(gè)HardFault硬錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器（HFSR），它指出產(chǎn)生HardFault硬錯(cuò)誤的原因。

狀態(tài)寄存器（HFSR）：

3如何應(yīng)對(duì)Fault錯(cuò)誤異常

在軟件開發(fā)過程中，我們可以根據(jù)各種 fault錯(cuò)誤 狀態(tài)寄存器的值來判定程序錯(cuò)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(duì)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(duì)Fault錯(cuò)誤的方法： 1.恢復(fù)：在一些場(chǎng)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(gè)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(jià)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(yùn)行了一個(gè) 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(jì)，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(huì)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(shí)保持良好的編程習(xí)慣，以及遵循必要的編程規(guī)范。