深入探究STM32中的Hard Fault Handler

一、什麼是Hard Fault

1、在嵌入式系統中，Hard Fault是指執行一條非法的或無效的指令所導致發生的硬件異常錯誤。

2、出現Hard Fault的原因可能是內存訪問異常、指針出現問題、堆棧溢出、NVIC中斷分組錯誤等。

3、雖然無法避免Hard Fault的發生，但是我們可以通過Hard Fault Handler來處理它，並在程序運行時提供一定的監控和定位功能。

二、STM32中的Hard Fault Handler

1、STM32中提供了硬件中斷向量表（Interrupt Vector Table，簡稱IVT），其中包含了一些保留的中斷向量，其中就有一個用於處理Hard Fault的向量。

2、當CPU遇到Hard Fault時，會自動跳轉到IVT中的Hard Fault向量，此時Hard Fault Handler便開始執行。

void HardFault_Handler(void)
{
    __asm("ldr r0, =0xE000ED2C");
    __asm("ldr r1, [r0]");
    __asm("ldr r2, [r1]");
    __asm("ldr r3, [r2]");
    __asm("bkpt #0");
}

3、上述代碼便是STM32默認的Hard Fault Handler實現，其中使用了彙編指令讀取SCB寄存器中的CFSR（Configurable Fault Status Register）寄存器，並通過軟件中斷指令（BKPT指令）實現了停在代碼中斷處的效果。此時我們可以通過調試工具讀取CFSR寄存器的值來進行故障定位。

三、如何優化Hard Fault Handler

1、默認的Hard Fault Handler只提供了一個基本的調試信息輸出，我們可以根據實際需求進行優化。

2、比如，可以通過斷言等手段檢查相關寄存器的值，並將該信息輸出到串口中，以實現遠程監控和故障定位。

void HardFault_Handler(void)
{
    uint32_t* sp = (uint32_t*)__get_MSP(); // 獲取堆棧指針
    uint32_t pc = (uint32_t)__get_IPSR();  // 獲取出現錯誤時的指令地址
    uint32_t cfsr = SCB->CFSR;     // 獲取CFSR寄存器的值
    uint32_t hfsr = SCB->HFSR;     // 獲取HFSR寄存器的值
    uint32_t mmfar = SCB->MMFAR;   // 獲取MMFAR寄存器的值
    uint32_t bfar = SCB->BFAR;     // 獲取BFAR寄存器的值

    // 將相關信息輸出到串口
    printf("\n==================================== Hard Fault ====================================\n");
    printf("  SP:%08X\n  PC:%08X\n CFSR:%08X\n HFSR:%08X\nMMFAR:%08X\n BFAR:%08X\n", (uint32_t)sp, pc, cfsr, hfsr, mmfar, bfar);
    printf("=====================================================================================\n");

    while(1);
}

3、上述代碼演示了如何使用printf函數將相關寄存器的值輸出到串口中。通過調用這個自定義的Hard Fault Handler，我們可以獲得更多有關故障的信息。

四、如何調用Hard Fault Handler

1、由於Hard Fault是一種特殊的異常情況，因此程序無法通過普通的錯誤處理機制來捕獲它。我們需要手動地在程序中加入一些處理代碼，來調用Hard Fault Handler。

2、針對不同版本的GCC編譯器和不同型號的STM32芯片，這些代碼可能有所不同。一些最基本的方法包括：

（1）在main函數前加入以下代碼，即可使用默認的Hard Fault Handler：

int main()
{
    NVIC_SetPriority(HardFault_IRQn, 0);
    uint32_t *p = NULL;
    *p = 0x00;
    return 0;
}

（2）使用CMSIS庫提供的NVIC_SystemReset函數來重置系統，並在其後調用Hard Fault Handler：

#include "stm32f4xx.h"
int main()
{
    NVIC_SetPriority(HardFault_IRQn, 0);
    uint32_t *p = NULL;
    *p = 0x00;
    NVIC_SystemReset();
    while(1);
}

void HardFault_Handler(void)
{
    printf("Hard Fault...\n");
    while(1);
}

3、需要注意的是，因為重置系統會導致所有寄存器的值被清除，所以可能會對調試造成困擾。

五、總結

1、在嵌入式系統中，Hard Fault是一種嚴重的異常情況。

2、STM32中提供了默認的Hard Fault Handler，可以用於基本的故障定位和調試。

3、Hard Fault Handler可以根據實際需求進行優化，以提供更詳細的故障信息。

4、在程序中手動調用Hard Fault Handler，需要根據具體情況選擇適當的方法。