有许多朋友在学习,或者开发STM32时都遇到过HardFault_Handler的情况。


那么,又有多少人认真去分析过Fault这类异常中断呢?


下面结合STM32F1(Cortex‐M3内核)来给大家讲述一下这些异常中断的内容。

 

1、Cortex‐M3异常

说起Fault,我们就要说一下Cortex‐M3的异常。


Cortex‐M3 在内核上搭载了一个异常响应系统, 支持为数众多的系统异常和外部中断。

 

CM3部分异常列表:

 

 

这些异常中断的优先级,有些却是固定的,有些是可以通过软件来配置,如UART发送中断、DMA中断等。

 

相信大家看到这个列表不会陌生,因为在STM32的启动代码,中断代码中都会看到这些异常。

 

比如在stm32f10x_it.c文件中,就能看到HardFault_Handler这类Fault异常。

 

 

向量表

当发生了异常并且要响应它时, CM3 需要定位其处理例程的入口地址。这些入口地址存储在“(异常)向量表”中。而我们的中断函数就对应有一个入口地址。

 

2、Fault错误异常

在Cortex‐M3中的Fault这种错误异常有:

 

BusFault总线错误

 

MemManageFault存储器管理错误

 

UsageFault用法错误

 

HardFault硬错误

1.BusFault总线错误

当 AHB 接口上正在传送数据时,如果回复了一个错误信号,则会产生总线错误。
产生的场合可以是:

 

  • 取指,通常被称作“预取流产”(prefetch abort)数据读/写,通常被称作“数据流产”(data abort)

 

执行如下动作可以触发总线异常:

 

  • 中断处理起始阶段的堆栈 PUSH 动作。称为“入栈错误”中断处理收尾阶段的堆栈 POP 动作。称为“出栈错误”在处理器启动中断处理序列(sequence)后的向量读取时。这是一种罕见的特殊情况,被归类为硬错误。


总线错误诱因:

 

  • 企图访问无效的存储器 region。常见于访问的地址没有相对应的存储器。设备还没有作好传送数据的准备。比如,在尚未初始化 SDRAM 控制器的时候试图访问 SDRAM。在企图启动一次数据传送时,传送的尺寸不能为目标设备所支持。例如,某设备只接受字型数据,却试图送给它字节型数据。因为某些原因,设备不能接受数据传送。例如,某些设备只有在特权级下才允许访问,可当前却是用户级。


2.MemManageFault存储器管理错误

存储器管理错误多与MPU(内存保护单元)有关,其诱因常常是某次访问触犯了MPU设置的保护策略。

 

常见诱因:

 

  • 访问了 MPU 设置区域覆盖范围之外的地址往只读 region 写数据用户级下访问了只允许在特权级下访问的地址


在CM3手册中有这样一段话:在 MemManage fault 发生后,如果其服务例程是使能的,则执行服务例程。如果同时还发生了其它高优先级异常,则优先处理这些高优先级的异常, MemManage 异常被悬起。

 

如果此时处理器已经在处理同级或高优先级异常,或者 MemManage fault 服务例程被除能,则和总线 fault 一样:上访成硬 fault,最终执行的是硬 fault 的服务例程。

 

当我们程序内存访问越界,我们会发现,程序会进入HardFault_Handler中断服务程序。可以结合上面那一段话理解一下。

 

3.UsageFault用法错误用法错误发生的诱因:

  • 执行了未定义的指令执行了协处理器指令(Cortex‐M3 不支持协处理器,但是可以通过 fault 异常机制来使用软件模拟协处理器的功能,从而可以方便地在其它 Cortex 处理器间移植)尝试进入 ARM 状态(因为 CM3 不支持 ARM 状态,所以用法 fault 会在切换时产生。软件可以利用此机制来测试某处理器是否支持 ARM 状态)无效的中断返回(LR 中包含了无效/错误的值)使用多重加载/存储指令时,地址没有对齐。另外,通过设置 NVIC 的对应控制位,可以在下列场合下也产生用法 fault:除数为零任何未对齐的访问

 

4.HardFault硬错误HardFault硬错误是上面说的三种错误“上访”的结果。如果这些fault错误的服务例程无法执行,它们就会成为“硬伤”——上访(escalation)成HardFault硬错误。

 

在NVIC 中有一个HardFault硬错误状态寄存器(HFSR),它指出产生HardFault硬错误的原因。

 

状态寄存器(HFSR):

 

 

3、如何应对Fault错误异常

在软件开发过程中,我们可以根据各种 fault错误 状态寄存器的值来判定程序错误,并且改正它们。下面给出了各种 faults 的常见诱因,以及应对攻略。

 

MemManage fault 状态寄存器提供的讯息:

 

 

总线 fault 状态寄存器提供的讯息:

 

 

用法 fault 状态寄存器提供的讯息:

 

 

硬 fault 状态寄存器提供的讯息:

 

 

常见应对Fault错误的方法:1.恢复:在一些场合下,还是有希望解决产生 fault 的问题的。例如,如果程序尝试访问了协处理器,可以通过一个协处理器的软件模拟器来解决此问题——当然是以牺牲性能为代价的,要不然还要硬件加速干啥。

 

2.中止相关任务:如果系统运行了一个 RTOS,则相关的任务可以被终结或者重新开始。

 

3.复位:这也是最后一招。通过设置 NVIC“应用程序中断及复位控制寄存器”中的VECTRESET 位,将只复位处理器内核而不复位其它片上设施。取决于芯片的复位设计,有些CM3 芯片可以使用该寄存器的 SYSRESETREQ 位来复位。这种只限于内核中的复位不会复位其它系统部件。

 

当然,说了这么多,我们还是要从根源出发,平时保持良好的编程习惯,以及遵循必要的编程规范。