ARM异常处理(3)：Bus faults、Memory management faults、Usage faults、Hard faults详解
之前介绍了了ARM异常处理(1)：异常类型、优先级分组和异常向量表，里面有很多异常类型，其中有几个异常在错误处理中非常有用：
文章目录
- 1 Bus Fault
- 2 Memory Management Fault
- 3 Uage faults
- 4 Hard Faults
1 Bus Fault
当在AHB接口上传输期间收到错误响应时，就会产生Bus fault。它可能发生在以下几个阶段：
- 指令预取阶段，通常称为
prefetch abort - 数据读/写阶段，通常称为
data abort
在Cortex-M3中，出现下面几种情况也会产生Bus fault：
- 堆栈在中断处理的开始处PUSH，称为
stacking error - 堆栈在中断处理的结束处POP，称为
unstacking error - 当处理器开始中断处理序列时，读取中断向量地址(
vector fetch)(Hard fault的一种特殊情况)
如果没有使能Bus fault的处理程序或总线错误发生在其它的比Bus fault优先级高的异常的异常处理程序时，Hard fault的中断处理函数会取代bus fault执行。如果在处理Hard fault的过程中产生了另一个Bus fault，则内核将会进入锁定状态。
导致AHB错误响应的常见原因
- 尝试访问一个无效的内存区域
- 设备没有准备好传输(如没有初始化外设的情况下访问外设)
- 目标设备不支持的单词传输大小(如某个外设寄存器仅支持按字访问，而程序中按字节访问)
- 设备不接受传输(如某些外设只能在特权访问级别编程)
1、如何使能Bus fault的处理程序？
设置NVIC中的System Handler Control and State register的BUSFAULTENA位，在此之前，需要保证在中断向量表中设置了Bus fault处理程序的起始地址。
2、进入Bus fault处理程序时，如何判断是什么出错了？
NVIC有很多错误状态寄存器(Fault Statuc registers)，其中有一个就是总线错误状态寄存器(Bus Fault Status register,BFSR)，从这个寄存器中可以知道错误时由数据/指令访问还是中断堆栈等原因产生的。
如果想更精确地定位Bus fault，可以通过堆栈程序计数器来定位错误的指令，且如果BFSR中的BFARVALID位为1的话，则还可以通过读取总线错误地址寄存器(Bus Fault Address Register,BFAR)来确定导致Bus fault的内存位置。
- 在有些情况下，这些寄存器的信息是不准确的，因为当处理器接收到错误时，可能已经执行的了很多其它指令。比如，对于往一个buffer写入数据而言，如果产生错误可能在多个时钟周期后才产生
Bus fault，这称为unprecise bus fault；而对于读取内存来说，下一条指令在读取完之前无法执行，故此时产生错误会立即产生Bus fault，这称为precise bus fault。
Bus Fault Status Register位于内存地址的0xE000ED29处，它的字段如下：
| Bits | Name | Type | Reset Value | Description |
|---|---|---|---|---|
| 7 | BFARVALID | - | 0 | 指示BFAR是否有效 |
| 6:5 | - | - | - | - |
| 4 | STKERR | R/Wc | 0 | Stacking error |
| 3 | UNSTKERR | R/Wc | 0 | Unstacking error |
| 2 | IMPRECISERR | R/Wc | 0 | Imprecise data access violation |
| 1 | PRECISERR | R/Wc | 0 | Precise data access violation |
| 0 | IBUSERR | R/Wc | 0 | Instruction access violation |
- 访问该寄存器可以按字节访问0xE000ED29，也可以按字访问0xE000ED28后得到第二个字节
- 向错误指示位写入1时将清除该位的状态
2 Memory Management Fault
内存管理错误可能由非法访问MPU(内存保护单元Memory Protection Unit)或某些非法访问(如执行某些不可执行的内存区域的代码)引起。常见的MPU错误如下：
- 访问MPU中未定义的内存区域
- 往只读区域写入数据
- 用户状态下访问特权模式下才能访问的内存
内存管理错误处理函数与Bus fault一样，有一样的特点，这里不再重复介绍。使能内存管理错误的处理函数，需要设置NVIC中的System Handler Control and State register的MEMFAULTENA位。
NVIC包含一个内存管理错误状态寄存器(Memory Management Fault Status Register,MFSR)来指示内存管理故障的原因。如果状态寄存器中的数据访问非法(DACCVIOL)位或指令访问违反(IACCVIOL位)为1，则可以通过堆栈程序计数器定位错误的代码。如果设置了MFSR中的MMARVALID位，也可以从NVIC中的内存管理地址寄存器(Memory Management Address Register,MMAR)中确定引起错误的内存地址位置。
MFSR寄存器如下表所示，它的地址为0xE000ED28，字段如下：
| Bits | Name | Type | Reset Value | Description |
|---|---|---|---|---|
| 7 | MMARVALID | - | 0 | 指示MMAR是否有效 |
| 6:5 | - | - | - | - |
| 4 | MSTKERR | R/Wc | 0 | Stacking error |
| 3 | MUNSTKERR | R/Wc | 0 | Unstacking error |
| 2 | - | - | - | - |
| 1 | DACCVIOL | R/Wc | 0 | Data access violation |
| 0 | IACCVIOL | R/Wc | 0 | Instruction access violation |
- 访问该寄存器可以按字节或按字访问0xE000ED28
- 对于其它
FSRs，向错误状态位写入1时将清除错误状态
3 Uage faults
Usage faults可能由以下几种情况引起：
- 未定义的指令
- 协处理器指令(Cortex-M3不支持协处理器)
- 尝试切换到
ARM state(可以使用这种机制来测试处理器是否支持ARM state;Cortex-M3不支持，如果切换会发生使用错误) - 无效的中断返回(
LR寄存器包含无效/不正确的值) - 对未对齐的内存使用多个
load/store指令
通过设置NVIC的某些位，也可以产生下面两种Usage fault：
- 除法除以0
- 访问任何不对齐的内存
Usage faults处理程序与Bus fault一样，有一样的特点，使能Usage faults的处理程序，需要设置NVIC中的System Handler Control and State register的USGFAULTENA位。
NVIC包含一个使用错误状态寄存器(Usage Fault Status Register,UFSR)来指示使用错误的原因。在处理程序内部，还可以使用堆栈的程序计数器值来定位导致错误的程序代码。
导致Usage fault的原因之一：切换到ARM state
Usage fault最常见的原因之一就是无意中将处理器切换到ARM state，这会在用户将一个LSB为0的地址加载到PC之后产生。比如，我们想使用BX或BLX指令跳转到一个没有设置地址的LSB，在异常向量表中向量的LSB为0；或者要POP已经在堆栈中的PC值，而LSB为0。在这些情况下，Usage fault会产生，UFSR寄存器中的INVSTATE会被置位。
- 最低位LSB为1表示使用
Thumb state
UFSR寄存器如下表所示，它的地址为0xE000ED2A，字段如下：
| Bits | Name | Type | Reset Value | Description |
|---|---|---|---|---|
| 9 | DIVBYZERO | R/Wc | 0 | 指示是否是除以0引起的错误(需要设置DIV_0_TRP) |
| 8 | UNALIGNED | R/Wc | 0 | 指示是否是字节没对齐引起的错误 |
| 7:4 | - | - | - | - |
| 3 | NOCP | R/Wc | 0 | 尝试执行协处理器指令 |
| 2 | INVPC | R/Wc | 0 | 尝试执行EXC_RETURN中错误返回值的异常 |
| 1 | INVSTATE | R/Wc | 0 | 尝试切换为一个无效的状态(如ARM state) |
| 0 | UNDEFINSTR | R/Wc | 0 | 尝试执行一个未定义的指令 |
- 访问该寄存器可以按字节访问0xE000ED2A，也可以按字访问0xE000ED28后得到其最高字节
- 对于其它
FSRs，向错误状态位写入1时将清除该位的错误状态
4 Hard Faults
如果Usage faults、Bus faults和Memory management faults没有其对应的错误处理程序，都将产生一个Hard fault。此外，它也会由在异常处理程序执行过程中读向量表(vector fetch)产生的Bus fault而引起。NVIC中有一个硬件错误状态寄存器(HFSR,Hard Fault Status Register)，可用于确定错误是否由vector fetch引起。如果不是，则Hard fault的错误处理程序需要检查其他FSRs以确定Hard fault的原因。
HFSR寄存器与其它FSRs一样，错误状态可以通过写入1来清除，该寄存器的地址为0xE000ED2C，其字段如下：
| Bits | Name | Type | Reset Value | Description |
|---|---|---|---|---|
| 31 | DIVBYZERO | R/Wc | 0 | 指示错误是否由debug事件引起的 |
| 30 | FORCED | R/Wc | 0 | 指示错误是否是由Usage faults、Bus faults和Memory management faults产生的 |
| 29:2 | - | - | - | - |
| 1 | VECTBL | R/Wc | 0 | 指示错误是由vector fetch引起的 |
| - | - | - | - | - |