如何在MCU工程中启用HardFault硬错误中断

一、HardFault出现场景

HardFault（硬故障） 错误中断是 ARM Cortex-M 系列微控制器中一个较为严重的错误中断，一旦触发，表明系统遇到了无法由其他异常处理机制解决的问题。
HardFault 错误中断常见于以下几种触发情况：

• 内存访问错误

  1. 访问非法地址
     当代码尝试访问未映射的内存区域，例如访问一个超出芯片内存范围的地址，就会触发 HardFault。比如，使用了一个未初始化的指针，该指针指向一个随机的无效地址，当对这个地址进行读写操作时，就会产生错误。访问受保护的内存区域也会引发问题。一些内存区域可能被设置为只读或者受特殊权限保护，若代码试图对其进行写操作，就会触发 HardFault。
  2. 内存对齐错误
     ARM Cortex - M 处理器对某些数据类型有内存对齐要求。例如，32 位的数据访问需要在 4 字节对齐的地址上进行。如果代码试图在非对齐的地址上进行 32 位数据的读写操作，就可能触发 HardFault。

• 总线错误

  1. 总线传输错误
     在数据通过总线进行传输时，可能会因为电气干扰、信号衰减、硬件故障等原因，导致数据传输错误。比如，在外部存储器读写操作中，由于总线线路故障，数据无法正确传输，就会触发 HardFault。
  2. 总线仲裁失败
     当多个主设备同时请求使用总线时，需要进行总线仲裁。如果仲裁机制出现问题，导致某个主设备无法正常获得总线使用权，就可能引发总线错误，进而触发 HardFault。

• 堆栈溢出或损坏

  1. 堆栈溢出
     堆栈用于保存函数调用时的局部变量、返回地址等信息。如果函数调用层次过深或者局部变量占用空间过大，就可能导致堆栈溢出。当堆栈溢出发生时，新的数据会覆盖其他重要的内存区域，从而引发 HardFault。
  2. 堆栈损坏
     代码中对堆栈指针的错误操作，例如意外修改了堆栈指针的值，会导致堆栈结构被破坏。后续的函数调用和返回操作就会出现异常，最终触发 HardFault。

• 异常处理错误

  1. 异常向量表错误
     异常向量表存储了各个异常处理函数的入口地址。如果异常向量表被错误修改，或者其地址设置不正确，当发生异常时，处理器无法正确跳转到相应的异常处理函数，就可能触发 HardFault。
  2. 异常嵌套错误
     在异常处理过程中，如果发生了新的异常，并且异常嵌套处理机制出现问题，例如嵌套层数超过了处理器的限制，就会导致系统混乱，触发 HardFault。

• 指令执行错误

  1. 未定义指令
     当处理器执行到一条未定义的指令时，会触发 HardFault。这可能是由于代码中包含了无效的机器码，或者是在程序加载过程中出现了错误。
  2. 非法指令访问
     某些指令可能需要特定的权限才能执行。如果代码在不具备相应权限的情况下尝试执行这些指令，就会触发 HardFault。

• 硬件故障

  1. 时钟故障
     处理器的正常运行依赖于稳定的时钟信号。如果时钟源出现故障，例如晶振停振、时钟频率偏移过大，会导致处理器的指令执行和数据处理出现异常，从而触发 HardFault。
  2. 电源故障
     电源电压不稳定、过压或欠压等情况，可能会影响处理器内部电路的正常工作，导致数据处理错误，最终引发 HardFault。

二、启动HardFault

1. 打开启动文件（.s文件）

在启动文件中，定义中断向量表，为 HardFault 提供占位符处理程序

__Vectors       DCD     __initial_sp                        ; 栈顶指针（Top of Stack）
                DCD     HardFault_Handler                   ; HardFault 处理程序

__initial_sp 是栈顶指针的初始化值，在复位时由处理器自动加载到 SP 寄存器。
HardFault_Handler 是 HardFault 的中断服务程序，在 CPU 触发 HardFault 时会执行这个函数。

2. 占位符的弱定义

HardFault_Handler\
                PROC
                EXPORT  HardFault_Handler                   [WEAK]
                B       .
                ENDP

EXPORT HardFault_Handler [WEAK] 将 HardFault_Handler 导出，并标记为弱定义（WEAK）。
B . 代表无限循环，相当于死循环，防止处理器进入未知状态。

Tips： 由于该 HardFault_Handler只是一个占位符，用户可以在 C 代码中重新定义 HardFault_Handler，而不会与启动文件冲突。

3. 定义源文件 HardFault 处理程序
在 C 代码中，需要实现 HardFault_Handler 以便进行错误分析和调试。

void HardFault_Handler_t(uint8_t  * hardfault_args)
{
	......
	while(1);
}

在HardFault 中断中一般可以去查看相关寄存器的数值用于分析错误原因，常见寄存器参考如下：

R0 ~ R3：通用寄存器
R12：特殊寄存器
LR（Link Register）：返回地址
PC（Program Counter）：导致 HardFault 的指令地址
PSR（Program Status Register）：状态寄存器

Cortex-M 的故障状态寄存器：
BFAR（Bus Fault Address Register）：总线错误的地址
CFSR（Configurable Fault Status Register）：配置错误状态寄存器
HFSR（Hard Fault Status Register）：硬错误状态寄存器
DFSR（Debug Fault Status Register）：调试故障状态寄存器
AFSR（Auxiliary Fault Status Register）：辅助故障状态寄存器

4. 汇编代码提取堆栈帧

__asm void hard_fault_handler_asm(void)
{
    IMPORT  HardFault_Handler_t
    TST      LR, #4          ; 检查异常发生时使用的堆栈
    ITE      EQ
    MRSEQ   R0, MSP          ; 如果是主堆栈，获取 MSP
    MRSNE   R0, PSP          ; 如果是进程堆栈，获取 PSP
    B        HardFault_Handler_t
}

TST LR, #4：检查 LR（异常返回指针）的 bit 2，判断异常发生时使用的堆栈：

• 0：使用主堆栈（MSP）
• 1：使用进程堆栈（PSP）

ITE EQ：条件执行语句

• MRSEQ R0, MSP：如果使用 MSP，则将 MSP 传入 R0
• MRSNE R0, PSP：如果使用 PSP，则将 PSP 传入 R0

B HardFault_Handler_t：跳转到 HardFault_Handler_t，并将 R0 作为参数传递。

综上：

• Cortex-M 发生 HardFault 时，处理器跳转到 HardFault_Handler。
• HardFault_Handler由 startup.s 文件定义，但只是一个占位符。
• hard_fault_handler_asm 通过汇编代码获取当前堆栈指针，并传递给 HardFault_Handler_t。
• HardFault_Handler_t解析故障信息，读取寄存器内容，调试解错。

启动文件 负责 定义中断向量表，并提供一个默认的弱定义 HardFault_Handler，允许用户在 C 代码中覆盖它。
汇编代码 负责 提取故障发生时的堆栈帧 并传递给 C 代码。C 代码 负责 解析寄存器信息并打印故障信息，便于调试和分析故障原因。

三、C代码示例

C代码示例可参考如下：

__asm void hard_fault_handler_asm(void)
{
    IMPORT  HardFault_Handler_t
    TST      LR, #4          ; 检查异常发生时使用的堆栈
    ITE      EQ
    MRSEQ   R0, MSP          ; 如果是主堆栈，获取 MSP
    MRSNE   R0, PSP          ; 如果是进程堆栈，获取 PSP
    B        HardFault_Handler_t
}

typedef struct 
{
    uint8_t  r0;
    uint8_t  r12;
    uint8_t  lr;
    uint8_t  pc;
    uint8_t  psr;
} hardfault_t;
hardfault_t hardfault;

void HardFault_Handler_t(unint8_t  * hardfault_args)
{
    hardfault.stacked_r0 = ((uint32_t) hardfault_args[0]);
    hardfault.stacked_r12 = ((uint32_t) hardfault_args[4]);
    hardfault.stacked_lr  = ((uint32_t) hardfault_args[5]);
    hardfault.stacked_pc  = ((uint32_t) hardfault_args[6]);
    hardfault.stacked_psr = ((uint32_t) hardfault_args[7]);

    printf("HardFault_Handler_t!\r\n");
    printf("R0 = %x\r\n", hardfault.r0);
    printf("R12 = %x\r\n", hardfault.r12);
    printf("LR = %x\r\n", hardfault.lr);
    printf("PC = %x\r\n", hardfault.pc);
    printf("PSR = %x\r\n", hardfault.psr);

    while(1);
}