Cortex-M0處理器內(nèi)核異常中斷簡(jiǎn)介

1. Cortex-M0 處理器內(nèi)核異常中斷簡(jiǎn)介

在Cortex‐M0內(nèi)核上搭載了一個(gè)異常響應(yīng)系統(tǒng)，支持眾多的系統(tǒng)異常和外部中斷。其中，編號(hào)為1－15的對(duì)應(yīng)系統(tǒng)異常，大于等于16的則全是外部中斷，優(yōu)先級(jí)的數(shù)值越小，則優(yōu)先級(jí)越高。除了個(gè)別異常的優(yōu)先級(jí)被定死外，其它異常的優(yōu)先級(jí)都是可編程的。

因?yàn)?a target="_blank">芯片設(shè)計(jì)可以修改內(nèi)核的硬件描述源代碼，所以做成芯片后，支持的中斷源數(shù)目常常不到240 個(gè)，并且優(yōu)先級(jí)的位數(shù)也由芯片廠商最終決定。

類型編號(hào)為 1－15 對(duì)應(yīng)系統(tǒng)異常，在《ARM Cortex-M0權(quán)威指南》一書(shū)中的第12章節(jié)<錯(cuò)誤處理>章節(jié)中有描述：對(duì)于ARM處理器，架構(gòu)采用錯(cuò)誤異常的機(jī)制來(lái)檢測(cè)問(wèn)題，當(dāng)一個(gè)程序產(chǎn)生了錯(cuò)誤并且被處理器檢測(cè)到時(shí)，異常中斷會(huì)被觸發(fā)，并且核心會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常終端處理函數(shù)執(zhí)行，錯(cuò)誤異常的中斷有如下：

Reset

在上下電、NRST拉低、看門狗復(fù)位或軟復(fù)位時(shí)啟動(dòng)復(fù)位。當(dāng)復(fù)位產(chǎn)生時(shí)，處理器停止一切操作，并將復(fù)位當(dāng)做一種特殊形式的異常來(lái)執(zhí)行，進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的中斷函數(shù)。當(dāng)復(fù)位撤銷時(shí)，從向量表中復(fù)位項(xiàng)提供的地址處重新啟動(dòng)執(zhí)行，芯片重新開(kāi)始執(zhí)行。

NMI

不可屏蔽中斷（NMI），可以由外設(shè)產(chǎn)生，也可以由軟件來(lái)觸發(fā)。這是除復(fù)位之外優(yōu)先級(jí)最高的異常中斷，NMI永遠(yuǎn)使能，優(yōu)先級(jí)固定為-2，CSS的時(shí)鐘安全機(jī)制使能判定時(shí)鐘失效后就會(huì)進(jìn)入到該中斷。NMI 不能：

1、被屏蔽，它的執(zhí)行也不能被其他任何異常中止；
2、被除復(fù)位之外的任何異常搶占。

HardFault

HardFault 是由于在正常操作過(guò)程中或在異常處理過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤而出現(xiàn)的一個(gè)異常。HardFault的優(yōu)先級(jí)固定為-1，表明它的優(yōu)先級(jí)要高于任何優(yōu)先級(jí)可配置的異常。

SVCall

管理程序調(diào)用（SVC）異常是一個(gè)由SVC指令觸發(fā)的異常。在OS環(huán)境下，應(yīng)用程序可以使用 SVC指令來(lái)訪問(wèn)OS內(nèi)核函數(shù)和器件驅(qū)動(dòng)。

PendSV

PendSV是一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)服務(wù)請(qǐng)求。在OS環(huán)境下，當(dāng)沒(méi)有其它異常有效時(shí)，使用 PendSV 來(lái)進(jìn)行任務(wù)切換。

SysTick

SysTick是一個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器到達(dá)零時(shí)產(chǎn)生的異常，軟件也可以產(chǎn)生一個(gè)SysTick異常。在OS環(huán)境下，處理器可以將這個(gè)異常用作系統(tǒng)節(jié)拍。

中斷（IRQ）

中斷（或 IRQ）是外設(shè)發(fā)出的一個(gè)異常，或者由軟件請(qǐng)求產(chǎn)生的一個(gè)異常。在系統(tǒng)中，外設(shè)使用中斷來(lái)與處理器通信，在中斷函數(shù)中可以查詢和清除標(biāo)志操作。

2. HardFault異常

HardFault (硬件錯(cuò)誤，也有譯為硬錯(cuò)誤)是在MCU上編寫程序中所產(chǎn)生的錯(cuò)誤，硬件錯(cuò)誤處理幾乎是最高優(yōu)先級(jí)，它的優(yōu)先級(jí)為-1，只有復(fù)位和不可屏蔽中斷(NMI)可以對(duì)其進(jìn)行搶占。當(dāng)它發(fā)生時(shí)，表示處理器出現(xiàn)了問(wèn)題，需要采取緊急修復(fù)措施。

造成HardFault錯(cuò)誤的可能原因較多，如何在代碼量較大的情況下，快速定位造成的HardFault的問(wèn)題代碼，就成為比較關(guān)鍵的問(wèn)題。

本文將以MM32F0130系列MCU為例，Keil-MDK開(kāi)發(fā)環(huán)境，總結(jié)HardFault的調(diào)試、定位方法。在其它Cortex-M0 (M3，M4)內(nèi)核處理器，和其它開(kāi)發(fā)環(huán)境下，也可作為參考。

2.1 可能的原因

《ARM Cortex-M0權(quán)威指南》中提到，關(guān)于 Cortex M0內(nèi)核主要有以下幾點(diǎn)引起HardFault的原因：

• 非法存儲(chǔ)器訪問(wèn)

• 非對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問(wèn)

• 從總線返回錯(cuò)誤

• 異常處理中的棧被破壞

• 程序在某些 C 函數(shù)中崩潰

• 意外地試圖切換至 ARM 狀態(tài)

• 在錯(cuò)誤的優(yōu)先級(jí)上執(zhí)行系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用指令(SVC)

• 數(shù)組越界

• 野指針

• 未初始化硬件卻開(kāi)始操作，或無(wú)中斷服務(wù)函數(shù)等

• 任務(wù)堆棧溢出

• 中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤

• 時(shí)鐘異常

2.2 可能出現(xiàn)的異常

• 出現(xiàn)復(fù)位

• 調(diào)試器將鎖定狀態(tài)終止，出現(xiàn)中止仿真的現(xiàn)象

• 出現(xiàn)一個(gè)NMI，以及當(dāng)前的鎖定處于HardFault處理程序中

voidHardFault_Handler(void)
{/*GotoinfiniteloopwhenHardFaultexceptionoccurs*/
while(1)
{
}
}

下面將在MM32F0130上運(yùn)行的數(shù)組越界代碼為例，具體闡述定位步驟：

voidStackTest(void)
{intdata[3],i;
for(i=0;i<10000;?i++)
????{
????data[i]=1;
????}
}

3. 查找HardFault方法和步驟

實(shí)際環(huán)境中，由于測(cè)試高壓等產(chǎn)品常常無(wú)法連接調(diào)試器，故需要代碼來(lái)定位目標(biāo)語(yǔ)句地址，并通過(guò)一定手段保存：

在MM32F0130中，需先修改啟動(dòng)文件startup\_mm32f013x.s：

HardFault_Handler
PROC
IMPORThard_fault_handler_c;函數(shù)聲明
MOVSr0,#4;判斷主棧指針還是進(jìn)程棧指針
MOVr1,LR
TSTr0,r1
BEQstacking_used_MSP;如果是主棧指針
MRSR0,PSP;否則是進(jìn)程棧指針,把進(jìn)程棧指針地址付給R0
Bget_LR_and_branch;跳轉(zhuǎn)到HardFault中斷程序
stacking_used_MSP
MRSR0,MSP;把主棧指針地址賦給R0
get_LR_and_branch
MOVR1,LR

BLhard_fault_handler_c
ENDP

該段代碼會(huì)判斷當(dāng)前堆棧使用的是MSP或PSP，然后將堆棧參數(shù)傳遞給hard\_fault\_handler\_c函數(shù)，該函數(shù)定義如下：

voidhard_fault_handler_c(unsignedint*hardfault_args,unsignedlr_value)
{unsignedintstacked_r0;//壓棧的r0
unsignedintstacked_r1;//壓棧的r1
unsignedintstacked_r2;//壓棧的r2
unsignedintstacked_r3;//壓棧的r3
unsignedintstacked_r12;//壓棧的r12
unsignedintstacked_lr;//壓棧的lr
unsignedintstacked_pc;//壓棧的pc
unsignedintstacked_psr;//壓棧的psr

stacked_r0=((unsignedint)hardfault_args[0]);
stacked_r1=((unsignedint)hardfault_args[1]);
stacked_r2=((unsignedint)hardfault_args[2]);
stacked_r3=((unsignedint)hardfault_args[3]);
stacked_r12=((unsignedint)hardfault_args[4]);
stacked_lr=((unsignedint)hardfault_args[5]);
stacked_pc=((unsignedint)hardfault_args[6]);
stacked_psr=((unsignedint)hardfault_args[7]);

while(1)
{
printf("[Hardfaulthandler]
");
printf("R0=%x
",stacked_r0);
printf("R1=%x
",stacked_r1);
printf("R2=%x
",stacked_r2);
printf("R3=%x
",stacked_r3);
printf("R12=%x
",stacked_r12);
printf("StackedLR=%x
",stacked_lr);
printf("StackedPC=%x
",stacked_pc);
printf("StackedPSR=%x
",stacked_psr);
printf("SCB_SHCSR=%x
",SCB->SHCSR);
printf("CurrentLR=%x
",lr_value);
}
}

處理器進(jìn)入到HardFault，將R0~R3、R12、LR、PC信息通過(guò)串口打印，根據(jù)寄存器信息排查問(wèn)題代碼。

當(dāng)處理器處理異常時(shí)，除非異常是一個(gè)末尾連鎖異?；蜻t來(lái)的異常，否則，處理器把信息都?jí)喝氲疆?dāng)前堆棧中入棧（stacking），8個(gè)數(shù)據(jù)字的結(jié)構(gòu)被稱為棧幀（stack frame），棧按照雙字地址對(duì)齊方式。

入棧后，堆棧指針立刻指向棧幀的最低地址單元。棧包含返回地址，這是被中止的程序中下條指令的地址。這個(gè)值在異常返回時(shí)返還給 PC，使被中止的程序恢復(fù)執(zhí)行。

如下圖連接仿真器查看匯編的地址可以找到是程序問(wèn)題，根據(jù)PC指針地址，在程序生成的.map中查找出問(wèn)題函數(shù)。

4. 處理建議

根據(jù)上述的定位手段可以查找是哪一種情況造成的異常，在編程過(guò)程中需要避免出現(xiàn)上述異常情況，但是在惡劣復(fù)雜的環(huán)境下，可能會(huì)小概率觸發(fā)HardFault中斷，可以在函數(shù)中添加復(fù)位或者跳轉(zhuǎn)指令，具體的實(shí)現(xiàn)方式需根據(jù)應(yīng)用和使用環(huán)境來(lái)評(píng)估。