笔者来聊聊对CortexM3/M4的异常模式理解。

CortexM3/M4异常模型了解学习

之前的了解，都是基于具体的芯片而言的，比如ST/GD/NXP公司的，STM32，很常用，基于Keil或者IAR集成开发环境，一直到工作之后，才更清楚的了解了架构这种概念，这种芯片本质上还是基于CortexM3/M4这种架构的，各种厂商都是基于这种架构进行开发的，然后添加很多外设，满足不同的功能需求。

1、通用寄存器

寄存器首先是架构的不可或缺的一部分，也是了解架构编程模型的重要地方。

  1. 寄存器 ，r0-r12，r13（sp），r14（lr），r15（pc）；

  2. 状态寄存器PSR：APSR、EPSR、IPSR；
    在这里插入图片描述
    T:thumb指令，总是为1
    异常编号：正常处理的异常编号，与接下来介绍的中断向量表编号相关，
    NZCV：标志位，
    在这里插入图片描述
    与经典的arm架构相比（比如arm7 ），M系列做了很多改变。
    模式：模式减少，只有特权模式和非特权模式（均是在线程下，异常模式自动是特权等级），
    堆栈：只有主栈+线程栈，MSP+PSP，不像经典架构，每个模式都有各自独立的栈。
    寄存器：减少，模式下除了SP，其他寄存器都是共享，经典架构下，寄存器较多，各个模式下都有几个独立的寄存器。
    异常：异常也有变化，新增hard fault等，将svc模式转为svc的函数处理，等等

  3. 中断相关寄存器 ：PRIMASK、FAULTMASK和BASEPRI
    a. PRIMASK：中断屏蔽位，1位宽，屏蔽除NMI以及hard_fault之外的中断
    b. FAULTMASK：中断屏蔽位，1位宽，屏蔽除NMI之外的所有中断
    c . BASEPRI：当前优先级设置，位数取决于厂商有多少个外设中断，
    d. CMSIS-Core 提供了多个C函数，可以访问中断相关寄存器，也提供了汇编函数

x = __get_BASEPRI(); // Read BASEPRI register
x = __get_PRIMARK(); // Read PRIMASK register
x = __get_FAULTMASK(); // Read FAULTMASK register
__set_BASEPRI(x); // Set new value for BASEPRI
__set_PRIMASK(x); // Set new value for PRIMASK
__set_FAULTMASK(x); // Set new value for FAULTMASK
__disable_irq(); // Set PRIMASK, disable IRQ
enable_irq(); // Clear PRIMASK, enable IRQ

; 汇编代码
MRS r0, BASEPRI ; Read BASEPRI register into R0
MRS r0, PRIMASK ; Read PRIMASK register into R0
MRS r0, FAULTMASK ; Read FAULTMASK register into R0
MSR BASEPRI, r0 ; Write R0 into BASEPRI register
MSR PRIMASK, r0 ; Write R0 into PRIMASK register
MSR FAULTMASK, r0 ; Write R0 into FAULTMASK register

;primask 以及 faultmask 特殊处理
CPSIE i ; Enable interrupt (clear PRIMASK)
CPSID i ; Disable interrupt (set PRIMASK)
CPSIE f ; Enable interrupt (clear FAULTMASK)
CPSID f ; Disable interrupt (set FAULTMASK)
  • Control寄存器：
    nPRIV：设置特权等级还是非特权等级
    SPSEL：选择主栈还是线程栈
    之前介绍的，异常永远是特权模式，且使用主栈。
    在这里插入图片描述
    这里有两种情况：（通常RTOS中栈切换版本会使用进程栈/线程栈 PSP，其他裸机情况下都使用的时候主栈MSP）
    a .进入异常模式之前是主栈：压栈使用主栈，然后切到异常函数下执行（下文图1），
    b. 进入异常模式之前是进程栈（线程栈）： 压栈使用进程栈，然后切到异常函数下执行，这时使用主栈，特权模式（下文图2）
    在这里插入图片描述
    步奏：
  • 线程模式下：使用主栈（MSP）
  • 中断#1来临，首先使用主栈（MSP）压栈，然后切到中断服务程序#1，这时处于特权模式下，使用主栈（MSP）
  • 中断#2来临：使用主栈进行压栈，然后切到中断服务程序#2执行，这时处于特权模式下，使用主栈（MSP）
  • 中断#2结束：根据LR 选择 MSP主栈，进行出栈，同时还是处于特权模式下，
  • 中断#1结束，根据LR选择MSP主栈，进行出栈，同时还是特权模式下执行
  • 线程模式下：使用主栈继续执行
    在这里插入图片描述
    步奏：
  • 线程模式下：使用线程栈
  • 中断#1来临，首先使用进程栈（PSP）压栈，然后切到中断服务程序#1，这时处于特权模式下，使用主栈（MSP）
  • 中断#2来临：使用主栈进行压栈，然后切到中断服务程序#2执行，这时处于特权模式下，使用主栈（MSP）
  • 中断#2结束：根据LR 选择 MSP主栈，进行出栈，同时还是处于特权模式下，
  • 中断#1结束，根据LR选择PSP进程栈，进行出栈，同时切到线程非特权模式下执行
  • 线程模式下：使用线程栈继续执行

上文说的：特权模式与图中的处理模式一致含义。

2、异常与中断

2.1、系统异常

  • 复位：reset_handler，用来做系统初始化以及分散加载，最终跳到main函数，
  • 异常函数处理：hard_fault,mem_mange_fault，bus_fault,usg_fault，处理各种异常
  • SVC：常用来做系统调用，必须立即响应，否则造成硬件错误
  • PendSV：RTOS常用该异常做上下文切换，因为该异常可以软件触发且挂起
  • SysTick：定时中断，可用作滴答定时器

在这里插入图片描述
CortexM3/M4响应异常时，会有一些列的操作，

  1. 入栈：硬件自动压入xPSR, PC, LR, R12以及R3‐R0
  2. 取向量：取出正确的异常向量，这样能找到异常处理函数，
  3. 选择堆栈指针：更新SP指针，更新PSR，更新PC，更新LR（EXC_RETURN），
    在这里插入图片描述
    中断返回：
  4. 出栈：与入栈的顺序想对应，
  5. 更新NVIC寄存器：清除相关的中断或者异常标志位，

异常返回值LR （EXC_RETURN），异常处理LR在M3/M4架构下有新的意义，
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
异常的寄存器如下：主要是4个中断（hardfault、mem/bus/usr fault ）关联的寄存器信息。
在这里插入图片描述

  • hardfault：硬件错误中断，很多场景被叫做硬件上访中断。
    • 中断优先级是-1，primask无法屏蔽，但是faultmask可以屏蔽。
    • 其他异常中断没有使能，则会进入该中断
    • 汇编屏蔽代码如上面介绍
    • HFSR状态寄存器是指示出现hardfault的原因的寄存器信息，30、31 bit分别指示是：上访错误和调试事件 1bit是指：获取向量错误，比如中断向量表获取？待测试。
      在这里插入图片描述
__set_PRIMASK(1);  //屏蔽除NMI 和 HardFault以外其他的中断 ;__set_PRIMASK(0); 
__set_FAULTMASK(1); //屏蔽除NMI 中断;__set_FAULTMASK(0);
//可嵌套的开关中断函数primask
u32 arm_v7_disable_irq() 
{ 
    u32 mask;
	asm volatile("mrs %0, primask" : "=r"(mask));
	asm volatile("cpsid i");
	return mask
	
} 

void arm_v7_enable_irq(u32 mask)
{
	asm volatile("msr primask,%0" : : "r"(mask));
}

//可嵌套的开关中断函数faultmask
u32 arm_v7_disable_fiq() 
{ 
    u32 mask;
	asm volatile("mrs %0, faultmask" : "=r"(mask));
	asm volatile("cpsid i");
	return mask
	
} 
void arm_v7_enable_fiq(u32 mask)
{
	asm volatile("msr faultmask,%0" : : "r"(mask));
}

void save_generic_regs();
save_generic_regs:
    stmfd   sp!,{r9-r12}
    stmfd   sp!,{r5-r8}
    stmfd   sp!,{r1-r4}
    stmfd   sp!,{r0}
    bx  lr
 
 /* void restore_generic_regs(); */

restore_generic_regs_from_stack:
    ldmfd   sp!,{r0}
    ldmfd   sp!,{r1-r4}
    ldmfd   sp!,{r5-r8}
    ldmfd   sp!,{r9-r12}
    bx  lr
  
  u32 regs_data[15];
 void save_regs_to_global_var(u32 save_reg_addr)
 {
 	memcpy((u8*)regs_data,(u8*)save_reg_addr,15*4);
 }
 
 /*1:hard 2:mem 3:bus 4:usr*/
void enter_exception_mode(u8 exception_reason)
{
	/* get the exception reg info*/
	/* print backtrace */
	/* save the stack and global reg */
}

void  HardFault_Handler();
HardFault_Handler:

	/* save the lr reg to the stack */
	push lr
	
	/* reserve stack space for sp  */
    sub   sp,sp,#4
   
    /*save r0-r12 to stack (13*4=52) */
    bl    save_generic_regs

    /*save sp to stack ,the sp is the reg before it entered the hardfault,4+4+52=60*/
    add   r0,sp,#60
    str   r0,[sp,#52]

    /*save regs to the global reg */
    mov   r0,sp
    bl   save_regs_to_global_var

    /* restore the regs from the stack */
    bl    restore_generic_regs

    mov r0,#1
    /* enter the assert mode */
    blx   enter_exception_mode

    /* skip the stack space for sp */
    add   sp,sp,#4

    /* restore the lr from stack */
    ldmfd sp!,{lr}

    bx     lr

在这里插入图片描述

  • mem fault：存储器访问异常中断，
    • 配置来使能MemManage，可设置优先级
    • 由cfsr低字节指示错误，如MMA VALID 有效，mmfar指示错误地址
    • MPU的配置规则，导致指令或者数据访问冲突，比如MPU配置特权访问，而非特权模式却访问对应区域；或者对MPU只读区域进行写操作；压栈和出栈导致的错误。
SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
NVIC_SetPriority(MemoryManagement_IRQn,0);

在这里插入图片描述

  • bus fault：总线访问异常

    • 配置来使能BusFault，可设置优先级，由总线接口上的错误响应处罚
    • 由fsr第二个字节来表示，如BFAR VALID，则BFAR指示错误地址。
    • 1、读（取）指令或者读写数据终止，取指令必须是错误的阶段到了执行阶段才会触发异常，取向量异常会强制进入hardfault，即使使能总线错误。
    • 2、压栈或者出栈错误
    • 3、访问非法的存储器位置，设备未就绪就开始访问（Dram未初始化），收到从设备错误响应，存储器访问权限问题。
    • 4、与mem fault错误由很多类似的错误。
      在这里插入图片描述

  • usr fault：

    • 配置来使能UsgFault，可设置优先级，由总线接口上的错误响应处罚
    • 222
    • 333

来看一个实际的例子，引发了非对齐访问的血案。

typedef struct wifi_data_rec_struct
{
	u16 header;
	u16 addr;
	u32 arg1;
	u32 arg2;
	u16 arg3;
	u16 checksum;
}wifi_data_rec_t,*wifi_data_rec_ptr_t;

typedef strcut wifi_info_struct
{
	u32 wifi_addr;
	u8 recv_flag;
	u8 test_flag;
	u16 wifi_data;
	u8 tx_buf[128+2];
	u8 rx_buf[16];
}wifi_info_t, wifi_info_ptr_t;

wifi_info_t wifi_info_g;
u8* rx_buf=wifi_info_g.rx_buf;


/*......*/
u16 temp_value = (*(u16*)rx_buf);
PRINTF("temp_value=%x rx_buf_addr=0x%p \r\n",temp_value,rx_buf);
wifi_data_rec_t temp_checksum=(*(wifi_data_rec_ptr_t )rx_buf);
PRINTF("temp_value=%x temp_check_sum=%x\r\n",temp value, temp_checksum.checksum); 
u16 cal_check_sum=cal_wifi_data_cmd(temp_checksum);

详细介绍一下错误的原因：

  1. 由下图串口助手以及调试器数据，可以看到打印完成temp_value之后，就导致进入hardfault，其实是usg_fault，因为笔者并没有使能usg_handler函数。
  • 串口助手打印：
    在这里插入图片描述
  • Ozone调试界面：
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

  1. 那就是那句强转代码导致的异常，

  2. 因为后面要计算校验和，所以编译器就把每个数据加载到寄存器，然后去计算。

  • Trace32加载axf查看汇编：
    在这里插入图片描述
  1. 又因为数据恰好是16个字节，编译器直接使用多字节加载指令：ldm，寄存器寻址；而ldm要求地址必须4Byte对齐（WORD，后面图中的arm手册查询），但是笔者的代码中rx buf地址由于上面tx buf的原因，导致没有按照4Byte对齐，引发了对齐访问错误。
  • ARM手册查看：
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
  1. 笔者尝试把计算校验和的代码删除，则没有发生错误，从汇编来看，只加载了checksum，其他数据没有加载，而单字加载，arm指令是支持非对齐访问的，所以就没有出现异常。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    上图中介绍了CCR寄存器，系统控制器，如果使能了非对齐检查，那么LDR 以及LDRH也不能非对齐访问了，如果产生，能报异常。
SCB->CCR = SCB_CCR_UNALIGN_TRP_MSK;

使能了改bit之后，ldrh 正常执行，因为其满足 half word对齐，但是ldr造成了异常，因为不满足word 对齐。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • addr2line 查看异常地址信息
    320行来看，其实并不是强转的代码，是因为编译器把打印和加载放到一行代码来对应，所以也不能全部按照源码的行数来看，因为源码和汇编指令可能不对应，在开了优化的情况下。
    在这里插入图片描述
    如果关闭优化，321行，就是强转的那行代码，对于调试来说，更加友好。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

  • 寄存器信息与自动压栈匹配：
    在这里插入图片描述
    笔者打开SP指针对应得内存区域，可以看到已经自动将pc lr等数据压入堆栈，比如：

  • 0x200098E8：R0-R3

  • 0x20009FE8：R12，LR，PC，xPSR
    可以见到PC：0x080086A0，可以正确看到程序出错前的地址，帮助我们分析错误。

    2.2、中断

在这里插入图片描述
中断管理使用NVIC，嵌入式向量中断控制器进行管理，

3、参考

ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南
Cortex-M3权威指南

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