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Cortex-M3和Cortex-M4 Fault异常应用之基础知识资料下载
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2021-04-23
王平
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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 0 ; 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���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���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; /*!
__IO uint32_t ICSR; /*!
__IO uint32_t VTOR; /*!
__IO uint32_t AIRCR; /*!
__IO uint32_t SCR; /*!
__IO uint32_t CCR; /*!
__IO uint8_t SHP[12]; /*!
__IO uint32_t SHCSR; /*!
__IO uint32_t CFSR; /*!
__IO uint32_t HFSR; /*!
__IO uint32_t DFSR; /*!
__IO uint32_t MMFAR; /*!
__IO uint32_t BFAR; /*!
__IO uint32_t AFSR; /*!
__I uint32_t PFR[2]; /*!
__I uint32_t DFR; /*!
__I uint32_t ADR; /*!
__I uint32_t MMFR[4]; /*!
__I uint32_t ISAR[5]; /*!
} 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) /*!
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
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