【STM32】MCU HardFault异常处理分析流程及总结（一）

一、 背景引入

在开发过程中，经常会遇到进入HardFault死循环的问题，主要原因如下：

• 数组越界操作
• 内存溢出，访问越界
• 堆栈溢出，程序跑飞
• 中断处理错误
  针对出现HardFault问题，我们需根据内核对异常的响应处理流程分析，同时结合通过keil生成的map文件来查看程序互相依赖，内存大小，程序大小等信息来判断。

二、基础知识

1. CortexM3内核

2. 寄存器组

Cortex‐M3 处理器拥有 R0‐R15 的寄存器组。其中 R13 作为堆栈指针 SP。 SP有两个，但在同一时刻只能有一个可以看到，这也就是所谓的“banked”寄存器。

●R0-R12：通用寄存器
R0‐R12 都是 32 位通用寄存器，用于数据操作。但是注意：绝大多数 16 位 Thumb指令只能访问 R0‐R7，而 32 位 Thumb‐2 指令可以访问所有寄存器。
●Banked R13: 两个堆栈指针
Cortex‐M3 拥有两个堆栈指针，然而它们是 banked，因此任一时刻只能使用其中的一个。
主堆栈指针（MSP），或写作 SP_main。这是缺省的堆栈指针，它由 OS 内核、异常服务例程以及所有需要特权访问的应用程序代码来使用。
进程堆栈指针（PSP），或写作 SP_process。用于常规的应用程序代码（不处于异常服务例程中时）。
为了在进行模式转换的时候，减少堆栈的保存工作。同时也可以为不同权限的工作模式设置不同的堆栈。
●R14寄存器是链接寄存器（LR），当呼叫一个子程序时，由R14存储返回地址。
●R15寄存器是程序寄存器（PC），指向程序当前的地址。如果修改它的值，就能改变程序的执行流。

3. 三级流水线

CortexM3架构采用三级流水线的方式实现指令的操作。流水线操作的本质是利用指令运行的不同阶段使用的CPU 硬件互不相同，并发的运行多条指令，从而提高时间效率。
三级流水线操作并行运行指令的方式： 在对第1条指令进行译码的时候，可以同时对第2条指令进行取指操作；在对第1条指令进行执行的时候，可以同时对第2条指令进行译码操作，对第3条指令进行取指操作。显然，这样就可以将该程序的运行总时间从30秒缩减为12秒，提速近3倍。

4. 异常

Cortex‐M3 在内核水平上搭载了一个异常响应系统， 支持为数众多的系统异常和外部中
断。其中，编号为 1－15 的对应系统异常，大于等于 16 的则全是外部中断。除了个别异常的优先级被定死外， 其它异常的优先级都是可编程的（所有能打断正常执行流的事件都称为异常）。


在 CM3 中，优先级的数值越小，则优先级越高。CM3 支持中断嵌套，使得高优先级异常会抢占(preempt)低优先级异常。有 3 个系统异常：复位， NMI 以及硬 fault，它们有固定的优先级，并且它们的优先级号是负数，从而高于所有其它异常。所有其它异常的优先级则都是可编程的（但不能编程为负数）。

中断的输入及悬起行为
当某中断的服务例程开始执行时，就称此中断进入了“活跃”状态，并且其悬起位会被硬件自动清除，在一个中断活跃后，直到其服务例程执行完毕，并且返回了，才能对该中断的新请求予以响应。

咬尾中断
当前正在执行中断，又有一个中断到来且这个中断优先级比正在执行的中断优先级低，这个中断暂时被挂起，等到当前中断执行完后不再执行堆栈操作，而直接进入挂起的中断，不需要再进行出栈入栈操作。