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

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。

::__VectorsDCD__initial_sp;栈顶DCDReset_Handler;复位处理程序入口DCDNMI_Handler;NMI处理程序入口DCDHardFault_Handler;硬Fault处理程序入口DCDMemManage_Handler;存储器管理处理程序入口DCDBusFault_Handler;总线Fault处理程序入口DCDUsageFault_Handler;用法Fault处理程序入口DCD0;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

/**@briefSystemControlBlock(SCB)registerstructuredefinition*/typedefstruct{__Iuint32_tCPUID;/*!
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
#defineSCB((SCB_Type*)SCB_BASE)/*!
    
   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