Cortex-M3和Cortex-M4 Fault异常应用之一 ----- 基础知识

2022-09-12 11:19:32

1. 摘要

Cortex-M内核实现了一个高效异常处理模块，可以捕获非法内存访问和数个程序错误条件。本应用笔记从程序员角度描述Cortex-M Fault异常，并且讲述在软件开发周期中的Fault用法。

2. 简介

Cortex-M3（以下简称CM3）和Cortex-M4（以下简称CM4）内核的Fault异常可以捕获非法内存方法和非法编程行为。Fault异常能够检测到以下情况：

总线Fault：在取址、数据读/写、取中断向量、进入/退出中断时寄存器堆栈操作（入栈/出栈）时检测到内存访问错误。
存储器管理Fault：检测到内存访问违反了MPU定义的区域。
用法Fault：检测到未定义的指令异常，未对齐的多重加载/存储内存访问。如果使能相应控制位，还可以检测出除数为零以及其他未对齐的内存访问。
硬Fault：如果上面的总线Fault、存储器管理Fault、用法Fault的处理程序不能被执行（例如禁能了总线Fault、存储器管理Fault、用法Fault异常或者在这些异常处理程序执行过程中又出现了Fault）则触发硬Fault。

本应用笔记描述CM3和CM4的Fault异常用法。系统控制寄存器组中的寄存器可以控制Fault异常或者提供引发异常的原因信息。

更深入的文档

完整的异常描述见《Cortex - M3 Technical Reference Manual》或者《Cortex -M4 Technical Reference Manual》，这两本参考手册都可以在www.arm.com中找到。

另一个很好的参考书是由Joseph Yiu编写的《The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3》（这本书有中文版：宋岩译的《ARM Cortex-M3权威指南》）。

3. Cortex-M Fault异常和寄存器

每个符合CMSIS规范的编译器所提供的启动文件（Startup_device）都会定义好设备所有的异常和中断向量。这些向量表定义了异常或中断处理程序的入口地址。下表给出了一个典型的向量表，Fault异常向量用蓝色标注。

    :
    :
__Vectors DCD __initial_sp ; 栈顶
DCD Reset_Handler          ; 复位处理程序入口
DCD NMI_Handler            ; NMI 处理程序入口
DCD HardFaul t_Handler     ; 硬Fault处理程序入口
DCD MemManage_Handler      ; 存储器管理处理程序入口
DCD BusFault_Handler       ; 总线Fault 处理程序入口
DCD UsageFault_Handler     ; 用法 Fault 处理程序入口
DCD                       ; 保留
    :
    :

通常总是使能硬Fault异常的，硬Fault异常具有固定的优先级，并且优先级高于其它Fault异常以及中断，但低于NMI。硬Fault异常处理程序在以下情况下会被执行：其它非硬Fault异常（非硬Fault异常是指总线、存储器管理和用法Fault 异常，下同。）被禁能，并且这些Fault异常被触发；在执行一个非硬Fault异常处理程序中又产生非硬Fault异常。

所有非硬Fault具有可编程的优先级。当Cortex-M内核复位后，这些非硬Fault被禁能，你可以在应用软件中通过设置“系统Handler控制及状态寄存器（SHCSR）”来使能非硬Fault异常。这个寄存器属于系统控制模寄存器组（SCB）

3.1 Fault异常的控制寄存器

在这里有必要介绍一下系统控制模块寄存器组（SCB）的成员，这个寄存器组的定义可以在core_cm3.h文件中，该文件属于CMSIS Cortex-M3 内核外设接口抽象层的一部分（关于不清楚CMSIS的，可以自行查找资料）。定义如下：

1.定义系统控制寄存器组结构体

 /** @brief System Control Block (SCB) register structure definition */
 typedef struct
 {
     __I uint32_t CPUID;   /*!< Offset: 0x00 CPU ID Base Register*/
     __IO uint32_t ICSR;   /*!< Offset: 0x04 Interrupt Control State Register*/
    __IO uint32_t VTOR;   /*!< Offset: 0x08 Vector Table Offset Register*/
    __IO uint32_t AIRCR;  /*!< Offset: 0x0C Application Interrupt / Reset Control Register*/
    __IO uint32_t SCR;    /*!< Offset: 0x10 System Control Register*/
    __IO uint32_t CCR;    /*!< Offset: 0x14 Configuration Control Register*/
    __IO uint8_t SHP[]; /*!< Offset: 0x18 System Handlers Priority Registers (4-7, 8-11, 12-15) */
    __IO uint32_t SHCSR;  /*!< Offset: 0x24 System Handler Control and State Register */
    __IO uint32_t CFSR;   /*!< Offset: 0x28 Configurable Fault Status Register*/
    __IO uint32_t HFSR;   /*!< Offset: 0x2C Hard Fault Status Register*/
    __IO uint32_t DFSR;   /*!< Offset: 0x30 Debug Fault Status Register */
    __IO uint32_t MMFAR;  /*!< Offset: 0x34 Mem Manage Address Register*/
    __IO uint32_t BFAR;   /*!< Offset: 0x38 Bus Fault Address Register*/
    __IO uint32_t AFSR;   /*!< Offset: 0x3C Auxiliary Fault Status Register*/
    __I uint32_t PFR[];  /*!< Offset: 0x40 Processor Feature Register*/
    __I uint32_t DFR;     /*!< Offset: 0x48 Debug Feature Register*/
    __I uint32_t ADR;     /*!< Offset: 0x4C Auxiliary Feature Register*/
    __I uint32_t MMFR[]; /*!< Offset: 0x50 Memory Model Feature Register*/
    __I uint32_t ISAR[]; /*!< Offset: 0x60 ISA Feature Register*/
} SCB_Type;

2. 定义系统控制寄存器组物理空间基地址

3. 定义指向系统控制寄存器组的指针

#define SCB ((SCB_Type *)SCB_BASE) /*!< SCB configuration struct * /

通过以上三步，我们就可以使用结构体指针SCB来访问系统控制寄存器组的寄存器了，比如给系统控制寄存器SCR赋值：SCB->SCR=0xFF；

SCB->CCR寄存器控制除数为零和未对齐内存访问是否触发用法Fault。

SCB->SHCSR寄存器可用来使能非硬Fault异常。如果一个非硬Fault异常被禁能并且相关Fault发生，这时异常会升级为硬Fault。SCB->SHP寄存器组控制异常的优先级。

Fault异常控制寄存器列表:

地址/访问	寄存器	复位值	描述
0xE000ED14 RW 特权级	SCB->CCR	0x00000000	配置和控制寄存器：包含控制除数为零和未对齐内存访问是否触发用法Fault的使能位。
0xE000ED18 RW 特权级	SCB->SHP[12]	0x00	系统处理程序优先级寄存器：控制异常处理程序的优先级
0xE000ED24 RW特权级	SCB->SHCSR	0x00000000	系统处理程序控制和状态寄存器

3.1.1 SCB->CCR 寄存器

蓝色部分控制是否使能相应的用法Fault

位	名称	描述
[31:10]	-	保留
[9]	STKALIGN	表示进入异常时的堆栈对齐。 0：4字节对齐 1：8字节对齐进入异常时，处理器使用压入堆栈的PSR位[9]来指示堆栈对齐。从异常返回时，这个堆栈位被用来恢复正确的堆栈对齐。
[8]	BFHFNMIGN	使能时，使得以优先级位-1或-2运行的处理程序忽略加载和存储指令引起的数据总线故障。它用于硬故障、NMI和FAULTMASK升级处理程序中： 0：加载和存储指令引起的数据总线故障会引起锁定。 1：以优先级-1或-2运行的处理程序忽略加载和存储指令引起的数据总线故障。仅在处理程序和其数据处于绝对安全的存储器时将该位设为1。一般将该位用于探测系统设备和桥接器以检测并纠正控制路径问题。
[7:5]	-	保留
[4]	DIV_0_TRP	当处理器进行除0操作（SDIV或UDIV指令）时，会导致故障或停止。 0：不捕获除以零故障 1：捕获除以零故障。当该位设为0时，除以零返回的商数为0。
[3]	UNALIGN_TRP	使能非对齐访问捕获： 0：不捕获非对齐半字和字访问 1：捕获非对齐半字和字访问。如果该位设为1，非对齐访问产生一个使用故障。无论UNALIGN_TRP是否设为1，非对齐的LDM、STM、LDRD和STRD指令总是出错。
[2]	-	保留
[1]	USERSETM PEND	使能对STIR的无特权软件访问。 0：禁能 1：使能
[0]	NONEBASE THRDENA	指示处理器如何进入线程模式： 0：处理器仅在没有有效异常时才能够进入线程模式。 1：处理器可以从EXC_RETURN值控制下的任何级别进入线程模式

3.1.2 SCB->SHP 寄存器组

以下SCB->SHP 寄存器组的寄存器用来设置异常处理程序的优先级：

SCB->SHP[0]：存储器管理Fault的优先级

SCB->SHP[1]：总线Fault的优先级

SCB->SHP[2]：用法Fault的优先级

为了编程中断和异常的优先级，CMSIS提供了函数NVIC_SetPrioriity和NVIC_GetPriority。这两个函数也位于core_cm3.h中，源码为：

可以通过下面的示例代码更改异常优先级：

    :
    :
NVIC_SetPriority (MemoryManagement_IRQn, 0xF0);
NVIC_SetPri ority (BusFault_IRQn, 0x80);
NVIC_SetPriority ( UsageFault_IRQn, 0x10);
    :
UsageFault_prio = NVIC_GetPriority ( UsageFault_IRQn);
    :
    :

3.1.3 SCB->SHCSR寄存器

与Fault异常相关位见下表的蓝色部分

位	名称	描述
[31:19]	-	保留
[18]	USGFAULTENA	用法Fault使能位，设为1时使能
[17]	BUSFAULTENA	总线Fault使能位，设为1时使能
[16]	MEMFAULTENA	存储器管理Fault使能位，设为1使能
[15]	SVCALLPENDED	SVC调用挂起位，如果异常挂起，该位读为1
[14]	BUSFAULTPENDED	总线Fault异常挂起位，如果异常挂起，该位读为1
[13]	MEMFAULTPENDED	存储器Fault故障异常挂起位，如果异常挂起，该位读为1
[12]	USGFAULTPENDED	用法Fault异常挂起位，如果异常挂起，该位读为1
[11]	SYSTICKACT	SysTick 异常有效位，如果异常有效，该位读为1
[10]	PENDSVACT	PendSV异常有效位，如果异常有效，该位读为1
[9]	-	保留
[8]	MONITORACT	调试监控有效位，如果调试监控有效，该位读为1
[7]	SVCALLACT	SVC调用有效位，如果SVC调用有效，该位读为1
[6:4]	-	保留
[3]	USGFAULTACT	用法Fault异常有效位，如果异常有效，该位读为1
[2]	-	保留
[1]	BUSFAULTACT	总线Fault异常有效位，如果异常有效，该位读为1
[0]	MEMFAULTACT	存储器管理Fault异常有效位，如果异常有效，该位读为1

尽管可以写SCB->SHCSR寄存器的所有位，但建议软件只写异常使能位。下面的例子用于使能所有非硬Fault（存储器管理Fault、总线Fault、用法Fault异常）：

SCB - >SHCSR |= 0x00007000; /*enable Usage Fault, Bus Fault, and MMU Fault*/

注：要包含core_cm3.h头文件。

3.2 Fault异常的状态和地址寄存器

Fault状态寄存器组（SCB->CFSR和SCB->HFSR）和Fault地址寄存器组（SCB->MMAR和SCB->BFAR）包含Fault的详细信息以及异常发生时访问的内存地址。

地址/访问	寄存器	复位值	描述
0xE000ED28 RW 特权级	SCB->CFSR	0x00000000	可配置Fault状态寄存器：包含指示存储器管理Fault、总线Fault或用法Fault的原因位
0xE000ED2C RW 特权级	SCB->HFSR	0x00000000	硬Fault状态寄存器：包含用于指示硬Fault原因位。
0xE000ED34 RW特权级	SCB->MMFAR	不可知	存储器管理Fault地址寄存器：包括产生存储器管理Fault的位置的地址
0xE000ED38 RW特权级	SCB->BFAR	不可知	总线Fault地址寄存器：包括产生总线Fault的位置的地址

3.2.1 SCB->CFSR寄存器

SCB->CFSR寄存器的位分配表：

bit31 bit16	bit15 bit8	bit7 bit0
用法Fault状态寄存器（UFSR）	总线Fault状态寄存器（BFSR）	存储器管理Fault状态寄存器（MMFSR）

SCB->CFSR寄存器可以被分成三个组：

存储器管理Fault 状态寄存器：地址0x0xE000ED28，可以按字节访问

总线Fault状态寄存器：地址0xE000ED29，可以按字节访问

用法Fault状态寄存器：地址0xE000ED2A，可以按半字访问

3.2.1.1 存储器管理Fault状态寄存器MMFSR：指示存储器访问Fault的原因

位	名称	描述
[7]	MMARVALID	存储器管理Fault地址寄存器（MMAR）有效标志： 0：MMAR中的值不是一个有效Fault地址 1：MMAR中保留一个有效Fault地址。如果发生了一个存储器管理Fault，并由于优先级的原因升级成一个硬Fault，那么硬Fault处理程序必须将该位设为0。
[6:5]	-	保留
[4]	MSTKERR	进入异常时的入栈操作引起的存储器管理Fault： 0：无入栈Fault 1：进入异常时的入栈操作引起了一个或一个以上的访问违犯。当该位设为1时，依然要对SP进行调节，并且堆栈的上下文区域的值可能不正确。处理器没有向MMAR中写入Fault地址。
[3]	MUNSTKERR	异常返回时的出栈操作引起的存储器管理Fault： 0：无出栈Fault 1：异常返回时的出栈操作已引起一个或一个以上的访问违犯. 该Fault与处理程序相连，这意味着当该位为1时，原始的返回堆栈仍然存在。处理器不能对返回失败的SP进行调节，并且不会执行新的存储操作。处理器没有向MMAR中写入Fault地址。
[2]	-	保留
[1]	DACCVIOL	数据访问违犯标志： 0：无数据访问违犯Fault 1：处理器试图在不允许执行操作的位置上进行加载和存储。当该位为1时，异常返回的压入堆栈的PC值指向出错指令。处理器已在MMAR中加载了目标访问的地址。
[0]	IACCVIOL	指令访问违犯标志： 0：无指令访问违犯错误 1：处理器试图从不允许执行操作的位置上进行指令获取。即使MPU被禁能，这一故障也会在XN(CM3内核的0xE0000000~0xFFFFFFFF区域）区寻址时发生。当该位为1时，异常返回的压入堆栈的PC值指向出错指令。处理器没有向MMAR中写入故障地址。

3.2.1.2 总线Fault状态寄存器BFSR：指示总线访问Fault原因

位	名称	描述
[7]	BFARVALID	总线Fault地址寄存器（BFAR）有效标志： 0：BFAR中的值不是有效故障地址 1：BFAR中保留一个有效故障地址。在地址已知的总线故障发生后处理器将该位设为1。该位可以被其他Fault清零，例如之后发生的存储器管理Fault。如果发生总线Fault，并由于优先级原因升级为一个硬Fault，那么硬Fault处理程序必须将该位设为0。
[6:5]	-	保留
[4]	STKERR	进入异常时的入栈操作引起的总线Fault： 0：无入栈故障 1：进入异常时的入栈操作已引起一个或一个以上的总线故障。当处理器将该位设为1时，依然要对SP进行调节，并且堆栈的上下文区域的值可能不正确。处理器没有向BFAR中写入Fault地址。
[3]	UNSTKERR	异常返回时的出栈操作引起的总线Fault： 0：无出栈Fault 1：异常返回时的出栈操作已引起一个或一个以上的总线Fault。该Fault与处理程序相连，这意味着当处理器将该位设为1时，原始的返回堆栈仍然存在。处理器不能对返回失败的SP进行调节，并且不会执行新的存储操作，也未向BFAR中写入Fault地址。
[2]	IMPRECISERR	非精确数据总线错误： 0：无非精确数据总线错误 1：已发生一个数据总线错误，但是堆栈帧中的返回地址与引起错误的指令无关。当处理器将该位设为1时，不向BFAR中写入Fault地址。这是一个异步Fault。因此，如果在当前进程的优先级高于总线Fault优先级时检测到该Fault，总线Fault被挂起并仅在处理器从所有更高优先级进程中返回时开始变为有效。如果在处理器进入非精确总线Fault的处理程序前发生一个精确Fault，那么处理程序同时对IMPRECISERR 和其中一个精确Fault状态位进行检测，判断它们是否置位为1。
[1]	PRECISERR	精确数据总线错误： 0：非精确数据总线错误 1：已发生一个数据总线错误，且异常返回的压入堆栈的PC值指向引起Fault的指令。当处理器将该位设为1时，向BFAR中写入Fault地址。
[0]	IBUSERR	指令总线错误： 0：无指令总线错误 1：指令总线错误。处理器检测到预取指令时的指令总线错误，但仅在其试图签发Fault指令时才将IBUSERR 标志设为1。当处理器将该位设为1时，不向BFAR中写入Fault地址。

3.2.1.3 用法Fault状态寄存器UFSR：指示产生用法Fault的原因

位	名称	描述
[15:10]	-	保留
[9]	DIVBYZERO	0：无除以零Fault或除以零捕获未使能 1：处理器已执行SDIV或UDIV指令（除以零）。当处理器将该位设为1时，异常返回的压入堆栈的PC值指向执行除以零的指令。注：通过将CCR中的DIV_0_TRP位设为1使能除以零捕获，默认是不使能的。
[8]	UNALIGNED	0：无非对齐访问Fault，或非对齐访问捕获未使能 1：处理器已进行了一次非对齐的存储器访问。注：通过将CCR中的UNALIGN_TRP位设为1来使能非对齐访问捕获，默认是不使能的。非对齐的LDM、STM、LDRD和STRD指令总是出错，与UNALIGN_TRP的设置无关。
[7:4]	-	保留
[3]	NOCP	无协处理器用法Fault。处理器不支持协处理器指令： 0：试图访问一个协处理器未引起用法Fault 1：处理器已试图访问一个协处理器。
[2]	INVPC	EXC_RETURN的无效PC加载引起的无效PC加载用法Fault： 0：没有发生无效PC加载用法Fault 1：处理器已试图将EXC_RETURN非法载入PC，作为一个无效的上下文或一个无效的EXC_RETURN值。当该位被设为1时，异常返回的压入堆栈的PC值指向尝试执行非法PC加载的指令。
[1]	INVSTATE	无效状态用法Fault： 0：未发生无效状态用法Fault 1：处理器已试图执行一个非法使用EPSR的指令。当该位设为1时，异常返回的压入堆栈的PC值指向一个尝试非法使用EPSR的指令。如果一个未定义的指令使用了EPSR，则该位不被置位为1。
[0]	UNDEFINSTR	未定义的指令用法Fault: 0：无未定义的指令用法Fault 1：处理器已试图执行一个未定义的指令。当该位设为1时，异常返回的压入堆栈的PC值指向未定义的指令。未定义的指令是一条不能被处理器译码的指令。

3.2.2 SCB->HSFR寄存器

SCB->HSFR寄存器提供关于激活硬Fault处理程序的事件的信息，写入1清零相应位。

位	名称	描述
[31]	DEBUGEVT	硬Fault因调试事件产生，保留供调试使用。对寄存器执行写操作时，必须向该位写入0；否则，该行为不可预知。
[30]	FORCED	指示硬Fault是否由产生，非硬Fault的处理程序无法执行时，会成硬Fault。 0：硬Fault不是因为非硬Fault产生的 1：硬Fault是通过非硬Fault产生的。当该位设为1时，硬Fault处理程序必须读其他Fault状态寄存器以找出Fault原因。
[29:2]	-	保留
[1]	VECTTBL	指示一个在异常处理过程中读向量表而引起的总线Fault： 0：读向量表未引起总线Fault 1：读向量表引起了总线Fault。这一错误通常情况下都由硬Fault处理程序来处理。
[0]	-	保留

3.2.3 SCB->MMFAR和SCB->BFAR寄存器

为了确定产生了哪个Fault异常以及什么原因引起的Fault异常，你需要检测Fault状态寄存器。

如果SCB->CFSR寄存器的BFARVALID位有效（为1），则SCB->BFAR寄存器的值表示引起总线Fault的内存地址。

如果SCB->CFSR寄存器的MMFARVALID位有效（为1），则SCB->MMFAR寄存器的值表示引起存储器管理Fault的内存地址。

参考资料:

1. ARM Cortex-M3权威指南 Joseph Yiu著宋岩译

3. LPC178x/7x用户手册 NXP

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