cortex M3/M4的cpu异常怎么处理？

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尹聪

2021-11-29 14:59:45

一、STM32的异常处理机制

对于cortex M3/M4来说，CPU每执行完一条指令都会检查有无异常产生，当CPU发现有异常产生时，它就会进行如下处理：

保存现场
分辨异常/中断，调用对应的异常/中断处理函数
恢复现场

每个异常/中断对应着一个异常向量，所有的异常向量组成一个异常向量表，对于cortex M3/M4来说，这个异常向量表中放置的就是具体异常/中断的处理函数的地址，当发生异常时，CPU就会从向量表里找到对应的项，从而得到处理函数的地址，跳转去执行。另外，对于cortex M3/M4来说，保存/恢复现场都是是硬件实现的。
我们可以打开一个STM32库的汇编启动文件，例如startup_stm32f10x_hd.s，我们可以看到，前面的时异常，后面的就是中断了（其实中断也是一种异常）。

二、未定义指令异常

未定义指令，即使"还没有定义的指令"，也就是CPU不认识的指令。
修改汇编文件，如下所示，添加各种异常的向量表项，另外在调用mymain()函数前调用串口初始化函数，并添加一个未定义的指令异常。

Stack_Size    EQU    0x00000500    ;定义堆栈大小为1024byte
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3  ;定义一个数据段,标记为STACK，即栈，不写入初始值初，对RAM来说，即初始化为0，8字节对齐
Stack_Mem SPACE Stack_Size ;保留Stack_Size大小的栈空间
__initial_sp    ;标号，代表堆栈顶部地址，后面有用

            PRESERVE8 ;指示编译器8字节对齐
            THUMB ;指示编译器以后的指令为THUMB指令

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
AREA RESET, CODE, READONLY ;定义只读数据段，标记为RESET，其实放在CODE区，位于0地址
EXPORT  __Vectors ;在程序中声明一个全局的标号__Vectors，该标号可在其他的文件中引用
IMPORT NMI_Handler             ; NMI Handler
IMPORT HardFault_Handler       ; Hard Fault Handler
IMPORT MemManage_Handler       ; MPU Fault Handler
IMPORT BusFault_Handler          ; Bus Fault Handler
IMPORT UsageFault_Handler       ; Usage Fault Handler
IMPORT SVC_Handler             ; SVCall Handler
IMPORT DebugMon_Handler          ; Debug Monitor Handler
IMPORT PendSV_Handler          ; PendSV Handler
IMPORT SysTick_Handler          ; SysTick Handler

__Vectors    DCD    __initial_sp ;当前地址写入一个字(32bit)数据，值应该为栈顶地址
            DCD    Reset_Handler               ;当前地址写入一个字(32bit)数据，值为Reset_Handler指向的地址值，即程序入口地址
DCD    NMI_Handler             ; NMI Handler
            DCD    HardFault_Handler       ; Hard Fault Handler
            DCD    MemManage_Handler       ; MPU Fault Handler
            DCD    BusFault_Handler          ; Bus Fault Handler
            DCD    UsageFault_Handler       ; Usage Fault Handler
            DCD    0                         ; Reserved
            DCD    0                         ; Reserved
            DCD    0                         ; Reserved
            DCD    0                         ; Reserved
            DCD    SVC_Handler             ; SVCall Handler
            DCD    DebugMon_Handler          ; Debug Monitor Handler
            DCD    0                         ; Reserved
            DCD    PendSV_Handler          ; PendSV Handler
            DCD    SysTick_Handler          ; SysTick Handler

AREA |.text|, CODE, READONLY ;定义代码段，标记为.text

; Reset handler ;利用PROC、ENDP这一对伪指令把程序段分为若干个过程，使程序的结构加清晰
Reset_Handler PROC ;过程的开始
EXPORT  Reset_Handler [WEAK] ;[WEAK] 弱定义，意思是如果在别处也定义该标号(函数)，在链接时用别处的地址。

IMPORT |Image$$RW_IRAM1$$Base| ;从别处导入data段的链接地址
IMPORT |Image$$RW_IRAM1$$Length| ;从别处导入data段的长度
IMPORT |Load$$RW_IRAM1$$Base| ;从别处导入data段的加载地址
IMPORT |Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Base| ;从别处导入ZI段的链接地址
IMPORT |Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Length|;从别处导入ZI段的长度

; 复制数据段
LDR R0, = |Load$$RW_IRAM1$$Base|    ;将data段的加载地址存入R0寄存器
LDR R1, = |Image$$RW_IRAM1$$Base| ;将data段的链接地址存入R1寄存器
LDR R2, = |Image$$RW_IRAM1$$Length| ;将data段的长度存入R2寄存器
CopyData
SUB R2, R2, #4 ;每次复制4个字节的data段数据
LDR R3, [R0, R2] ;把加载地址处的值取出到R3寄存器
STR R3, [R1, R2] ;把取出的值从R3寄存器存入到链接地址
CMP R2, #0 ;将计数和0相比较
BNE CopyData ;如果不相等，跳转到CopyData标签处，相等则往下执行

; 清除BSS段
LDR R0, = |Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Base| ;将bss段的链接地址存入R1寄存器
LDR R1, = |Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Length| ;将bss段的长度存入R2寄存器
CleanBss
SUB R1, R1, #4 ;每次清除4个字节的bss段数据
MOV R3, #0 ;将0存入r3寄存器
STR R3, [R0, R1] ;把R3寄存器存入到链接地址
CMP R1, #0 ;将计数和0相比较
BNE CleanBss ;如果不相等，跳转到CleanBss标签处，相等则往下执行

IMPORT  mymain ;通知编译器要使用的标号在其他文件
IMPORT uart_init

BL uart_init ;跳转去执行uart_init函数

DCD 0XFFFFFFFF ;一个未定义的指令

BL mymain ;跳转去执行main函数
B . ;原地跳转，即处于循环状态
ENDP

            ALIGN ;填充字节使地址对齐
            END ;整个汇编文件结束
然后新建exception.c文件，并添加各种异常处理函数

#include "uart.h"

void NMI_Handler(void)
{
putstring("Exception: NMI.rn");
}
void HardFault_Handler(void)
{
putstring("Exception: Hard Fault.rn");
}
void MemManage_Handler(void)
{
putstring("Exception: Mem Manage Fault.rn");
}
void BusFault_Handler(void)
{
putstring("Exception: Bus Fault.rn");
}
void UsageFault_Handler(void)
{
putstring("Exception: Usage Fault.rn");
}
void SVC_Handler(void)
{
putstring("Exception: SVCall.rn");
}
void DebugMon_Handler(void)
{
putstring("Exception: Debug Monitor.rn");
}
void PendSV_Handler(void)
{
putstring("Exception: PendSV.rn");
}
void SysTick_Handler(void)
{
putstring("Exception: SysTick.rn");
}
然后编译烧录运行，可以看到，串口一种打印硬件错误异常，这是因为没有将异常标志位清除的结果

另外，进入了硬件错误异常而不是未定义指令异常，是因为cortex M3/M4的如下机制，因为未定义指令属于"处理器操作相关的错误"，如果没有使能"Usage Fault"，发就会触发"Hard Fault"。

那么要怎么使能"Usage Fault"，我们要对SCB->SHCSR寄存器的第十八位写1来使能。即System Control Block的System Handler Control and State Register。
我们找到STM32库里的core_cm3.h文件可以看到这个寄存器的结构体定义，将这个文件加入我们的工程中