Cortex-M0+处理器的HardFault错误介绍

1.HardFault介绍

在ARM处理器中，如果一个程序产生了错误并且被处理器检测到，就会产生错误异常。Cortex-M0+处理器只有一种异常用以处理错误：HardFault。

HardFault，可重复且不可能恢复的故障。当它发生时，意味着微控制器出现了问题，并且需要采取修复错误。

2.HardFault错误是如何产生的

Cortex-M0+产生HardFault错误的类型主要有以下三种：

存储器相关：

-- 总线错误（可以是程序访问也可以是数据访问），在总线传输中使用非法地址会产生error；

-- 试图在标记为不可执行的存储器区域内执行程序；

-- 试图在系统控制空间中访问非特权访问等级的寄存器（非特权访问功能在M0+处理器中为可选功能）；

-- 存储器访问和定义在存储器保护单元中的设置冲突(存储器保护单元在M0+处理器中为可选功能)；

程序错误：

-- 未定义指令的执行；

-- 试图切换至ARM状态：Cortex-M0+处理器无ARM指令，正常情况下处理器不会切至ARM状态；

-- 试图进行非对齐存储器访问；

-- Cortex-M0+处理器支持的Thumb指令只能产生对齐访问，也就是说传输地址只能是传输大小的整数倍； 如字传输（32位）只能访问0x0/0x4/0x8/0xc之类的地址；

--通常情况下，使用C编译器不会产生任何非对齐访问（有编译器自动完成）；如果C程序直接操作一个指针，则可能存在非对齐访问；

-- 使用汇编编程时，也可能会出现非对齐传输；

-- 当SVC异常优先级与当前的优先级相比相同或更小时，试图执行SVC指令；

-- SVC只能运行在线程模式或者比SVC自身优先级低的异常处理中（SVC一般在OS环境中使用），否则会触发硬件错误异常；

-- 执行异常返回时EXC_RETURN的值非法；

-- EXC_RETURN在Cortex-M0+处理器中的合法值为0xFFFFFFF1、0xFFFFFFF9、0xFFFFFFFD;

-- 当调试未使能时（没有连接调试器），试图执行断点指令(BKPT)；

-- BKPT指令为调试过程中提供断点功能；

中颖芯片硬件模块操作异常：

-- Flash解锁寄存器写入值错误；

-- Flash解锁后，重新解锁；

-- DMA读取保留地址区或非法读写；

3.如何定位HardFault错误位置

当异常产生时，内核会做如下动作：

压栈并且栈指针（SP）更新；

处理器取出异常向量（确定ISR的起始地址）并将其写入R15(PC)；

寄存器更新（LR、终端程序状态寄存器（IPSR）、NVIC）

当异常发生时，8个寄存器会被自动压栈，这些寄存器包括R0~R3、R12、R14(LR)、返回地址/PC和xPSR，压栈顺序如下表：

可以通过解析进入Hard Fault中断后的寄存器值及入栈的寄存器值来定位出错位置，并找到问题点。

定位HardFault错误位置步骤如下：

4.举例说明如何定位HardFault错误位置

使用调试器（以MDK编译器为例）

--在工程中创建HardFault中断处理函数，并在其函数中添加硬件断点或断点指令（BKPT），当发生HardFault错误时，处理器会自动暂停到断点或断点指令处

;

-- 根据章节3中的HardFault错误分析流程，找到发生HardFault错误时的地址位置；

-- 结合程序分析具体出错原因。

无调试器 -- 当仿真口被占用时，需要通过串口或其他接口，提取并输出发生HardFault错误时的各调试信息； -- 下面以串口为例，说明如何实现调试信息的输出： -- 在startup_xxx.s启动文件的“HardFault_Handler”中做如下处理：

-- 屏蔽C程序中的“HardFault_Handler”中断服务程序，增加栈数据输出函数“HardFault_Handler_c”，如下：

-- 发生HardFault错误后，串口软件会输出当前寄存器及栈内的寄存器值，通过章节3中的HardFault错误定位流程，进一步分析错误原因。

5、如何避免产生Hard Fault

Ø给栈预留足够的空间：

-- 工程编译后，在生成的编译信息文件中，找到以工程名命名的.htm文件，此文件列出工程使用的栈最大长度（如下）；

-- 一般在此基础上增加至少0.5倍（预留给中断服务程序及其临时变量），配置为栈大小；

Ø在C语言嵌套汇编代码时，请注意汇编指令是否存在非对齐情况；若存在，请增加NOP指令使其对齐；

Ø程序中不使用断点指令（BKPT）；若调试过程中使用了断点指令，请在程序Release时屏蔽此断点指令；

Ø非OS应用，不使用SVC指令；

Ø正确配置芯片的硬件模块，避免引起HardFault错误。