【ARMv8M Cortex-M33 系列 7.2 -- HardFault 问题定位 1】

请阅读【嵌入式开发学习必备专栏 之 ARM Cortex-Mx专栏】

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问题背景

rt-thread 在PendSV_Handler退出的时候发生了HardFault_Handler是什么原因？且 LR 的值为0xfffffffd

堆栈对齐要求

在 ARM Cortex-M 架构中，堆栈指针 (SP) 必须始终保持 8 字节对齐。这是因为从 ARMv7-M 开始，堆栈帧可能包含额外的浮点寄存器，而要求 8 字节对齐以实现更有效的访问和与浮点寄存器大小相一致。

在进入异常处理时，处理器会自动将 xPSR、返回地址、LR、R12、R3、R2、R1 和 R0 压入堆栈；如果使用浮点单元且由异常激活，则还会压入 S0-S15 和 FPSCR 寄存器。

当从异常返回时，处理器会根据 LR 中的 EXC_RETURN 值来检查堆栈指针，以确保正确地恢复寄存器状态。

发生 HardFault 的原因可能很多，但当你看到 LR（链接寄存器）的值为 0xFFFFFFFD 时，这表明异常返回时处理器试图从进程堆栈指针（PSP）恢复上下文。这个特定的 EXC_RETURN 值意味着在从异常（这种情况下是 PendSV）返回时，发生了与堆栈或上下文恢复有关的问题。

以下是一些可能导致你在 PendSV_Handler 退出时遭遇 HardFault 的原因：

1. 堆栈指针 (PSP) 不正确：如果 PSP 被错误地设置或在异常处理期间被破坏，它可能不再指向有效的堆栈帧，导致在尝试恢复寄存器时访问了错误的内存地址。
2. 堆栈溢出：如果任务的堆栈空间不足，可能在堆栈中写入时超过了分配的边界，导致堆栈损坏。
3. 上下文保存不完整或不正确：在进入 PendSV_Handler 时，必须保存当前任务的上下文，包括所有必要的寄存器。如果保存过程中出错，或者未能保存足够的寄存器状态，那么恢复这些寄存器时会遇到问题。
4. 上下文恢复到错误的地址：如果保存的程序计数器（PC）或状态寄存器（xPSR）的值不正确，那么在尝试返回到这些地址时会触发 HardFault。
5. 错误的异常返回指令：虽然 LR 的值是正确的 EXC_RETURN，但如果在异常处理的汇编代码中有错误，可能会导致错误的堆栈操作或错误的异常返回。

为了调试此 HardFault，可以采取以下步骤：

• 检查 PSP 的值：在 HardFault_Handler 中，检查 PSP 是否指向有效的内存区域。
• 检查堆栈大小：验证所有任务的堆栈大小是否足够，并没有发生堆栈溢出。
• 使用调试器：如果可能，使用调试器单步执行 PendSV_Handler 中的代码，观察 PSP、PC 和 xPSR 的值以及它们的变化。
• 查看 HardFault_Handler ：实现一个 HardFault_Handler 来捕获硬件错误，从中可以读取更多的系统状态和错误信息，例如配置故障状态寄存器 CFSR、HFSR、MMFAR 和 BFAR。
• 审查 RT-Thread 的系统配置：确认 RT-Thread 的配置与你的硬件设备兼容，尤其是关于任务堆栈和堆内存的部分。
• 堆栈帧对齐检查：确保在进入 PendSV_Handler 之前堆栈帧是正确对齐的，因为 ARM Cortex-M 系列处理器要求堆栈必须8字节对齐。如果启用了自动堆栈对齐检查，STKALIGN 位在 CCR 寄存器内，那么在对齐错误时可能会引发 UsageFault，如果没有启用相关的 UsageFault，则会变成 HardFault。

接着上篇文章：【ARMv8M Cortex-M33 系列 7.1 – xPSR | CFSR | HFSR | BFAR | MMFAR 寄存器】 来通过JLink 来对 错误提示信息寄存器进行debug，它们的地址如下：

#define SCB_CFSR        (*(volatile const unsigned *)0xE000ED28) /* Configurable Fault Status Register */
#define SCB_HFSR        (*(volatile const unsigned *)0xE000ED2C) /* HardFault Status Register */
#define SCB_MMAR        (*(volatile const unsigned *)0xE000ED34) /* MemManage Fault Address register */
#define SCB_BFAR        (*(volatile const unsigned *)0xE000ED38) /* Bus Fault Address Register */
#define SCB_AIRCR       (*(volatile unsigned long *)0xE000ED0C)  /* Reset control Address Register */
#define SCB_RESET_VALUE 0x05FA0004                               /* Reset value, write to SCB_AIRCR can reset cpu */

通过JTAG 读取上面debug 寄存器SCB_CFSR的值：

mem32 0xe000ed28 1
E000ED28 = 00040000

INVPC, bit [2]
Invalid PC flag. Sticky flag indicating whether an integrity check error has occurred.

可以看到发生 INVPC 这个错误。

继续 Debug 其它寄存器：

mem32 0xe000ed2c 1
E000ED2C = 40000000

FORCED, bit [30]
Forced. Indicates that a fault with configurable priority has been escalated to a HardFault exception, because
it could not be made active, because of priority, or because it was disabled.

从上面的解释可以看到问题原因是由于某个异常升级为了 HardFault 异常了，可能是由于这个异常没有enable，所以后面就需要查看如何使能Cortex-M33 的各种异常。

继续 Debug 其它寄存器：

mem32 0xe000ed34 1
E000ED34 = 20000BF4

ADDRESS, bits [31:0]
Data address for an MemManage fault. This register is updated with the address of a location that produced a
MemManage fault. The MMFSR shows the cause of the fault, and whether this field is valid. This field is
valid only when MMFSR.MMARVALID is set, otherwise it is UNKNOWN.

Attributes
8-bit read/write-one-to-clear register located at 0xE000ED28.

这个寄存器也就是寄存器CFSR 的 低8bits，由于低8bits 为0，所以，不是memmanage fault 的问题。

mem32 0xe000ed38 1
E000ED38 = 20000BF4

ADDRESS, bits [31:0]
Data address for a precise BusFault. This register is updated with the address of a location that produced
a BusFault. BFSR shows the reason for the fault. This field is valid only when BFSR.BFARVALID is set,
otherwise it is UNKNOWN.
由于 BFSR.BFARVALID 值为0，所以也不是 Busfault。

当将编译参数中的硬浮点修改为软浮点之后，再去读CFSR 寄存器的值为：

J-Link>mem32 0xe000ed28 1
E000ED28 = 01000000

也就是报出 UNALIGNED 错误(Debug 到最后发现也不是这个问题引起的)。到目前为止仍然没有找到问题所在！！！

那么如何配置不使用fpu功能？
要在 ARM Cortex-M33 上使用 ARM GCC 编译器配置不使用 FPU（浮点单元）功能，需要在编译选项中指定不使用硬件浮点支持。这可以通过设置适当的编译器标志实现。

ARM Cortex-M33 可以配置为带有或不带有 FPU。如果你的 Cortex-M33 核心不包含 FPU，或者你的应用程序不需要浮点运算支持，你应该确保编译器不生成任何浮点指令或链接到浮点库。

以下是如何在编译器选项中禁用 FPU 支持的示例：

-mcpu=cortex-m33 -mthumb -mfloat-abi=soft 

这里的编译器选项说明如下：

• -mcpu=cortex-m33: 指定目标 CPU 是 Cortex-M33。
• -mthumb: 指示编译器生成 Thumb 指令集的代码。
• -mfloat-abi=soft: 指定浮点 Application Binary Interface (ABI) 为软件实现（soft）。

这意味着即使硬件支持浮点运算，也将使用软件库来执行浮点运算。这个选项确保编译器不会生成使用 FPU 的代码。

如果你的应用程序确实包含浮点运算，上述设置会导致所有浮点运算都通过软件库函数实现，而不是使用 FPU。这会导致浮点运算性能降低，但可以避免在不包含 FPU 的 Cortex-M33 核心或者选择不使用 FPU 的情况下，发生与硬件相关的问题。

请确保编译器选项在整个项目的编译和链接过程中保持一致，包括任何库或外部模块。如果链接到了已编译的库，也需要确保这些库是在不使用 FPU 支持的情况下编译的。

最后在Makefile 中的配置如下：

#LDS_INC = -L $(LIB_PATH)/lib/gcc/arm-none-eabi/10.2.1/thumb/v8-m.main+fp/hard
LDS_INC = -L $(LIB_PATH)/lib/gcc/arm-none-eabi/10.2.1/thumb/v8-m.main/nofp \
        -L $(LIB_PATH)/arm-none-eabi/lib/thumb/v8-m.main/nofp

all: $(TARGET) postbuild

$(TARGET): $(OBJS)
        @echo Building target: $@
        $(LD) $(LDS_INC) -T $(LDS) --gc-sections -Map ra4m2.map -o $@ $(OBJS) -lc -lm -lgcc

Cortex-M33 的 FPU 功能

ARM Cortex-M33 处理器是 ARMv8-M 架构的一部分，可选地包含一个符合 IEEE 754 标准的单精度浮点单元 (FPU)，支持所有单精度浮点数据类型的运算。包含 FPU 的 Cortex-M33 可以提高浮点计算的性能，适用于需要执行大量浮点计算的应用程序。

Cortex-M33 的 FPU 支持以下特性：

• 编译器可以生成硬件 FPU 指令来完成浮点运算，这通常比软件实现更快。
• FPU 支持单精度（32位）浮点数的加、减、乘、除运算和其他复杂运算。
• 浮点运算的结果可以直接用于程序流程控制，如浮点比较和分支。

如果选择在 Cortex-M33 上使用 FPU 功能，需要使用 -mfloat-abi=hard 或 -mfloat-abi=softfp 编译器选项来启用硬件浮点支持。这些选项会使编译器产生使用 FPU 的代码，并链接到相应的浮点库。

Q：cortex-m33默认安全状态下如何启动rt-thread os，需要配置哪些内容？ 可以一直在安全状态下运行os吗？
A: 要在 Cortex-M33 默认的安全状态下启动 RT-Thread OS，需要执行一系列的初始化步骤来配置处理器，启动操作系统，并确保操作系统及其任务在安全状态下正确运行。

下面是一般需要执行的步骤：

1. 初始化硬件：
   • 配置系统时钟，包括 CPU 时钟、外设时钟等。
   • 初始化必要的外设，如定时器、串口、中断控制器等。
2. 配置中断向量表：
   • 将 RT-Thread 的中断向量表的位置设置到默认的中断向量表寄存器（VTOR）。
3. 配置堆栈指针：
   • 设置 MSP 或 PSP 的值，确保为 RT-Thread OS 的中断和任务提供正确的堆栈。
4. 初始化 RT-Thread OS：
   • 调用 RT-Thread 提供的初始化函数，如 rt_system_scheduler_init 初始化调度器，rt_system_timer_init 初始化系统定时器等。
5. 创建任务（线程）：
   • 使用 RT-Thread 提供的 API，如 rt_thread_create，来创建并初始化操作系统任务。
6. 启动调度器：
   • 调用 rt_system_scheduler_start 来启动 RT-Thread 的调度器。
7. 附加系统服务和中断处理：
   • 将 RT-Thread 的系统服务和中断处理函数附加到 Cortex-M33 的异常和中断向量。
8. TrustZone 配置（如果使用 TrustZone）：
   • 如果打算使用 TrustZone，你需要正确配置安全属性单元（SAU），确保内存和外设的安全状态符合 RT-Thread 的要求。在默认安全状态下，这一步可能不是必需的。 你可以一直在安全状态下运行 RT-Thread OS。

实际上，如果你不需要 TrustZone 提供的安全状态和非安全状态之间的隔离，或者不打算在非安全状态下运行任何代码，那么你可以简单地将整个系统配置为安全状态，并在该状态下运行操作系统。这种情况下，你不需要配置任何有关 TrustZone 的特定内容，系统将作为一个普通的单状态（只有安全状态）系统运行。

如果你使用了 TrustZone 并且需要在系统的非安全状态下运行某些代码，那么你需要在系统启动时配置 TrustZone 的相关设置，并实现从安全状态到非安全状态的切换逻辑。

总之，RT-Thread OS 作为一个灵活的实时操作系统，能够在 Cortex-M33 处理器的安全状态下运行，无论是独立于 TrustZone 特性，还是与 TrustZone 安全特性一起使用。具体配置和启动步骤应参考 RT-Thread OS 的文档和 Cortex-M33 的硬件手册。