CPU：STM32F429IGT6

對于其他的stm32芯片或者其他ARM Cortex-M芯片，其實解決方法都相通。建議先完整閱讀了本文之后，再對照著你所遇到問題的現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)試。

1.基礎(chǔ)知識

在ARM Cortex-M系列處理器中，有若干個系統(tǒng)異常專用于 fault 處理。CM3 中的 Faults 可分為以下幾類：

(1).總線 faults；

(2).存儲器管理 faults；

(3).用法 faults；

(4).硬 fault；

1.1.總線 faults

當(dāng) AHB 接口上正在傳送數(shù)據(jù)時，如果回復(fù)了一個錯誤信號(error response)，則會產(chǎn)生總線faults，產(chǎn)生的場合可以是：

(1).取指，通常被稱作“預(yù)取流產(chǎn)”（prefetch abort）；

(2).數(shù)據(jù)讀/寫，通常被稱作“數(shù)據(jù)流產(chǎn)”（data abort）；

在 CM3 中，執(zhí)行如下動作時，如果地址有誤，亦會觸發(fā)總線異常：

(1).中斷處理起始階段的堆棧 PUSH 動作。此時若發(fā)生總線 fault，則稱為“入棧錯誤”；

(2).中斷處理收尾階段的堆棧 POP 動作。此時若發(fā)生總線 fault，則稱為“出棧錯誤”；

(3).在處理器啟動中斷服務(wù)序列(sequence)后讀取向量時。這是一種極度罕見的特殊情況，被歸類為硬 fault。

總線 fault 狀態(tài)寄存器(BFSR)，地址：0xE000_ED29，BFSR的各個位的定義如下：

Snipaste_2020-12-11_14-13-31

1.2.存儲器管理 faults

存儲器管理 faults 多與 MPU 有關(guān)，其誘因常常是某次訪問觸犯了 MPU 設(shè)置的保護(hù)規(guī)范。另外，某些非法訪問，例如，在不可執(zhí)行的存儲器區(qū)域試圖取指，也會觸發(fā)一個 MemManage fault，而且在這種場合下，即使沒有 MPU 也會觸發(fā) MemMange fault。MemManage faults 的常見誘因如下所示：

(1).訪問了所有 MPU regions 覆蓋范圍之外的地址；

(2).訪問了沒有存儲器與之對應(yīng)的空地址；

(3).往只讀 region 寫數(shù)據(jù)；

(4).用戶級下訪問了只允許在特權(quán)級下訪問的地址；

存儲器管理 fault 狀態(tài)寄存器(MFSR)，地址：0xE000_ED28，MFSR的各個位的定義如下：

Snipaste_2020-12-11_14-19-19

1.3.用法 faults

用法 faults 發(fā)生的場合可以是：

(1).執(zhí)行了協(xié)處理器指令。Cortex-M3 本身并不支持協(xié)處理器，但是通過 fault 異常機(jī)制，可以建立一套“軟件模擬”的機(jī)制，來執(zhí)行一段程序模擬協(xié)處理器的功能，從而可以方便地在其它 Cortex 處理器間移植。

(2).執(zhí)行了未定義的指令。同上一點的道理，亦可以軟件模擬未定義指令的功能。

(3).嘗試進(jìn)入 ARM 狀態(tài)。因為 CM3 不支持 ARM 狀態(tài)，所以用法 fault 會在切換時產(chǎn)生。軟件可以利用此機(jī)制來測試某處理器是否支持 ARM 狀態(tài)。

(4).無效的中斷返回（LR 中包含了無效/錯誤的值）；

(5).使用多重加載/存儲指令時，地址沒有對齊。

另外，如果需要嚴(yán)格要求程序的質(zhì)量，還可以讓 CM3 在遇到除數(shù)為零的時候，以及遇到未對齊訪問的時候也產(chǎn)生用法 fault。在 NVIC 中有兩個控制位分別與它們對應(yīng)。通過設(shè)置這兩個控制位，就可以激活它們。

用法 fault 狀態(tài)寄存器(UFSR)，地址：0xE000_ED2A，UFSR的各個位的定義如下：

Snipaste_2020-12-11_14-24-49

1.4.硬 fault

硬 fault 是上文討論的總線 fault、存儲器管理 fault 以及用法 fault 上訪的結(jié)果。如果這些 fault 的服務(wù)例程無法執(zhí)行，它們就會成為“硬傷” ——上訪（ escalation）成硬 fault。另外，在取向量（異常處理時對異常向量表的讀?。r產(chǎn)生的總線 fault 也按硬 fault 處理。在 NVIC中有一個硬 fault 狀態(tài)寄存器（HFSR），它指出產(chǎn)生硬 fault 的原因。如果不是由于取向量造成的，則硬 fault 服務(wù)例程必須檢查其它的 fault 狀態(tài)寄存器，以最終決定是誰上訪的。

硬 fault 狀態(tài)寄存器(HFSR)，地址：0xE000_ED2C，HFSR的各個位的定義如下：

Snipaste_2020-12-11_14-29-38

2.UsageFault INVPC置1解決過程

最近在使用RTOS增加DMA驅(qū)動時，在對內(nèi)存到設(shè)備和設(shè)備到內(nèi)存的DMA傳輸測試時，出現(xiàn)了UsageFault，并且UFSR中的INVPC置1了。最開始，單獨測試DMA發(fā)送是沒有問題的，但是DMA發(fā)送和接收一起測試時，就會出現(xiàn)UsageFault（INVPC置1）。這個異常不太好定位出現(xiàn)問題的具體位置，因此就檢查DMA驅(qū)動，并且逐步調(diào)試吧。最終，DMA驅(qū)動檢查和修改好了，仍然出現(xiàn)UsageFault，實在沒法了，還是從為什么會出現(xiàn)UsageFault（INVPC置1）開始分析吧。

2.1.出現(xiàn)UsageFault（INVPC置1）的原因

如果LR中的EXC_RETURN不是合法的值（合法值見下圖，包括企圖返回ARM狀態(tài)），則引起用法fault。如果用法fault被除能，也上訪成硬fault。此時，用法Fault狀態(tài)寄存器(UFSR,地址：0xE000_ED2A)中的INVPC位（位偏移：2），或者是INVSTATE位（位偏移：1）置位。

Snipaste_2020-12-11_15-13-23

上面就是出現(xiàn)該異常的文字分析了。

2.2.UsageFault（INVPC置1）的解決過程

因為該異常是異常響應(yīng)期間才可能出現(xiàn)的異常（<> 9.8節(jié)介紹了下，在9.8.4節(jié)進(jìn)行文字說明），因此，只要在異常或中斷的返回處打斷點，執(zhí)行下一步就有可能進(jìn)入UsageFault異常。（當(dāng)然了這個方法，是比較笨的，不過在縮小了異常出現(xiàn)的范圍之后，可以在每次異常或中斷的返回處打斷點，然后執(zhí)行下一步，就有可能進(jìn)入UsageFault異常）

我這里是每次開始DMA測試之后，就進(jìn)入UsageFault異常，并且我的系統(tǒng)中目前就打開了SysTick，PendSV，DMA1_STREAM5，DMA1_STREAM6，NMI，HardFault，MemFault，BusFault，UsageFault這些異常和中斷。因此我在開始DMA測試的時候打一個斷點，在程序運行到DMA測試開始的斷點處時，再在DMA1_STREAM5，DMA1_STREAM6，NMI，HardFault，MemFault，BusFault，UsageFault這些函數(shù)的入口打斷點，在PendSV的返回處打斷點，SysTick就暫時先不管。然后全力運行，發(fā)現(xiàn)每次都會在PendSV的異常返回斷點處停留（因為任務(wù)切換嘛）總共在PendSV的斷點處停留了大概7到8次，就進(jìn)入到了UsageFault。

有了上面步驟的鋪墊，先去除中斷和異常中的斷點，還是先在DMA測試開始處打斷點，等運行到DMA測試開始處，再在上述的中斷和異常相關(guān)位置打斷點。接下來我就慢慢的調(diào)試，在開始DMA測試之后，全速運行，在退出PendSV異常時，執(zhí)行單步運行到下一步，重復(fù)7到8次，從PendSV就進(jìn)入了UsageFault，在這7到8次中，我看在退出PendSV時，LR寄存器中的值都是0xFFFFFFFD，是合法的啊，當(dāng)時仔細(xì)一想，有可能是退出異常時硬件再將堆棧中的PC賦值給PC時出問題，導(dǎo)致進(jìn)入了UsageFault。果不其然，在PenSV退出之前，我查看每個PSP（0xFFFFFFFD：返回線程模式，并使用線程堆棧）對應(yīng)內(nèi)存數(shù)值，能夠正常退出PendSV的寄存器和PSP堆棧內(nèi)容如下圖所示：

Snipaste_2020-12-11_16-38-20

Snipaste_2020-12-11_16-43-28

進(jìn)入UsageFault異常之前的寄存器和PSP堆棧內(nèi)容如下圖所示：

Snipaste_2020-12-11_16-45-35

Snipaste_2020-12-11_16-47-17

此處堆棧中的內(nèi)容，明顯的0x20003D94堆棧中的PC值是有問題的，我的程序是燒寫到flash中的PC地址應(yīng)該是08xxxxxx，然而現(xiàn)在堆棧中的PC地址是0x20003DA8，這個地址是SRAM中的地址，SRAM存儲的數(shù)據(jù)而不是代碼，出現(xiàn)這個問題的原因，猜想一下，應(yīng)該就是任務(wù)堆棧溢出導(dǎo)致，當(dāng)我增加任務(wù)堆棧的大小之后，哈哈，程序正常運行，世界是如此美好。

3.調(diào)試小結(jié)

3.1.解決過程小結(jié)

其實上面的步驟2，是我自己的一個調(diào)試解決問題的過程，這里給大家提供一個比較直接的解決方式。在開始運行程序之前，直接在UsageFault異常入口函數(shù)中打一個斷點，然后全速運行程序，等程序停止在UsageFault異常函數(shù)的斷點處時，需要注意以下幾點：

(1).如果LR是合法值，那么根據(jù)LR判斷退出異常時使用的堆棧，然后在Memory查看窗口中，查看堆棧中R0，R1，R2，R3，R12，LR，PC，xPSR這些寄存器的值，根據(jù)這些寄存器的值，判斷是否是堆棧溢出導(dǎo)致該異常發(fā)生；如果不是堆棧溢出導(dǎo)致該異常發(fā)生，那么就要根據(jù)PC值，在匯編窗口中跳轉(zhuǎn)到PC值對應(yīng)的代碼處，分析導(dǎo)致異常發(fā)生的原因；

(2).如果LR不是合法值，就要分析下你的代碼中，有哪些地方修改過LR的值，確保修改的值要是合法的。

3.2.關(guān)于UsageFault 如何才能讓INVPC置1

(1).在退出異?；蛑袛鄷r，執(zhí)行BX LR時，LR的值是非法的，此時就會觸發(fā)UsageFault異常，并且INVPC置1。

(2).在退出異常或中斷時，執(zhí)行BX LR時，LR的值是合法的，但是退出異常之后要使用的堆棧中，堆棧里面的PC值是有問題的，此時就有可能觸發(fā)UsageFault異常，并且INVPC置1。

對于上面的兩點的模擬其實也比較好做，在PendSV或者其他異常的退出的地方打一個斷點，然后手動修改LR或者堆棧中PC的值，就能觸發(fā)UsageFault異常，并且INVPC置1。這里注意一下，修改堆棧中PC的值，我這里測試時候，設(shè)置PC值為其他值可能引起其他的異常，貌似修改PC的值為RAM中數(shù)據(jù)區(qū)的地址才會出現(xiàn)該異常，不太清楚為什么會這樣，可能是數(shù)據(jù)區(qū)是沒有執(zhí)行代碼的權(quán)限，因此出異常吧，不太確定，有知道的朋友，歡迎留言講解。

審核編輯：劉清