CPU：STM32F429IGT6

對于其他的stm32芯片或者其他ARM Cortex-M芯片，其實解決方法都相通。建議先完整閱讀了本文之后，再對照著你所遇到問題的現象進行調試。

1.基礎知識

在ARM Cortex-M系列處理器中，有若干個系統異常專用于 fault 處理。CM3 中的 Faults 可分為以下幾類：

(1).總線 faults；

(2).存儲器管理 faults；

(3).用法 faults；

(4).硬 fault；

1.1.總線 faults

當 AHB 接口上正在傳送數據時，如果回復了一個錯誤信號(error response)，則會產生總線faults，產生的場合可以是：

(1).取指，通常被稱作“預取流產”（prefetch abort）；

(2).數據讀/寫，通常被稱作“數據流產”（data abort）；

在 CM3 中，執行如下動作時，如果地址有誤，亦會觸發總線異常：

(1).中斷處理起始階段的堆棧 PUSH 動作。此時若發生總線 fault，則稱為“入棧錯誤”；

(2).中斷處理收尾階段的堆棧 POP 動作。此時若發生總線 fault，則稱為“出棧錯誤”；

(3).在處理器啟動中斷服務序列(sequence)后讀取向量時。這是一種極度罕見的特殊情況，被歸類為硬 fault。

總線 fault 狀態寄存器(BFSR)，地址：0xE000_ED29，BFSR的各個位的定義如下：

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1.2.存儲器管理 faults

存儲器管理 faults 多與 MPU 有關，其誘因常常是某次訪問觸犯了 MPU 設置的保護規范。另外，某些非法訪問，例如，在不可執行的存儲器區域試圖取指，也會觸發一個 MemManage fault，而且在這種場合下，即使沒有 MPU 也會觸發 MemMange fault。MemManage faults 的常見誘因如下所示：

(1).訪問了所有 MPU regions 覆蓋范圍之外的地址；

(2).訪問了沒有存儲器與之對應的空地址；

(3).往只讀 region 寫數據；

(4).用戶級下訪問了只允許在特權級下訪問的地址；

存儲器管理 fault 狀態寄存器(MFSR)，地址：0xE000_ED28，MFSR的各個位的定義如下：

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1.3.用法 faults

用法 faults 發生的場合可以是：

(1).執行了協處理器指令。Cortex-M3 本身并不支持協處理器，但是通過 fault 異常機制，可以建立一套“軟件模擬”的機制，來執行一段程序模擬協處理器的功能，從而可以方便地在其它 Cortex 處理器間移植。

(2).執行了未定義的指令。同上一點的道理，亦可以軟件模擬未定義指令的功能。

(3).嘗試進入 ARM 狀態。因為 CM3 不支持 ARM 狀態，所以用法 fault 會在切換時產生。軟件可以利用此機制來測試某處理器是否支持 ARM 狀態。

(4).無效的中斷返回（LR 中包含了無效/錯誤的值）；

(5).使用多重加載/存儲指令時，地址沒有對齊。

另外，如果需要嚴格要求程序的質量，還可以讓 CM3 在遇到除數為零的時候，以及遇到未對齊訪問的時候也產生用法 fault。在 NVIC 中有兩個控制位分別與它們對應。通過設置這兩個控制位，就可以激活它們。

用法 fault 狀態寄存器(UFSR)，地址：0xE000_ED2A，UFSR的各個位的定義如下：

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1.4.硬 fault

硬 fault 是上文討論的總線 fault、存儲器管理 fault 以及用法 fault 上訪的結果。如果這些 fault 的服務例程無法執行，它們就會成為“硬傷” ——上訪（ escalation）成硬 fault。另外，在取向量（異常處理時對異常向量表的讀?。r產生的總線 fault 也按硬 fault 處理。在 NVIC中有一個硬 fault 狀態寄存器（HFSR），它指出產生硬 fault 的原因。如果不是由于取向量造成的，則硬 fault 服務例程必須檢查其它的 fault 狀態寄存器，以最終決定是誰上訪的。

硬 fault 狀態寄存器(HFSR)，地址：0xE000_ED2C，HFSR的各個位的定義如下：

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2.UsageFault INVPC置1解決過程

最近在使用RTOS增加DMA驅動時，在對內存到設備和設備到內存的DMA傳輸測試時，出現了UsageFault，并且UFSR中的INVPC置1了。最開始，單獨測試DMA發送是沒有問題的，但是DMA發送和接收一起測試時，就會出現UsageFault（INVPC置1）。這個異常不太好定位出現問題的具體位置，因此就檢查DMA驅動，并且逐步調試吧。最終，DMA驅動檢查和修改好了，仍然出現UsageFault，實在沒法了，還是從為什么會出現UsageFault（INVPC置1）開始分析吧。

2.1.出現UsageFault（INVPC置1）的原因

如果LR中的EXC_RETURN不是合法的值（合法值見下圖，包括企圖返回ARM狀態），則引起用法fault。如果用法fault被除能，也上訪成硬fault。此時，用法Fault狀態寄存器(UFSR,地址：0xE000_ED2A)中的INVPC位（位偏移：2），或者是INVSTATE位（位偏移：1）置位。

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上面就是出現該異常的文字分析了。

2.2.UsageFault（INVPC置1）的解決過程

因為該異常是異常響應期間才可能出現的異常（<> 9.8節介紹了下，在9.8.4節進行文字說明），因此，只要在異?；蛑袛嗟姆祷靥幋驍帱c，執行下一步就有可能進入UsageFault異常。（當然了這個方法，是比較笨的，不過在縮小了異常出現的范圍之后，可以在每次異?；蛑袛嗟姆祷靥幋驍帱c，然后執行下一步，就有可能進入UsageFault異常）

我這里是每次開始DMA測試之后，就進入UsageFault異常，并且我的系統中目前就打開了SysTick，PendSV，DMA1_STREAM5，DMA1_STREAM6，NMI，HardFault，MemFault，BusFault，UsageFault這些異常和中斷。因此我在開始DMA測試的時候打一個斷點，在程序運行到DMA測試開始的斷點處時，再在DMA1_STREAM5，DMA1_STREAM6，NMI，HardFault，MemFault，BusFault，UsageFault這些函數的入口打斷點，在PendSV的返回處打斷點，SysTick就暫時先不管。然后全力運行，發現每次都會在PendSV的異常返回斷點處停留（因為任務切換嘛）總共在PendSV的斷點處停留了大概7到8次，就進入到了UsageFault。

有了上面步驟的鋪墊，先去除中斷和異常中的斷點，還是先在DMA測試開始處打斷點，等運行到DMA測試開始處，再在上述的中斷和異常相關位置打斷點。接下來我就慢慢的調試，在開始DMA測試之后，全速運行，在退出PendSV異常時，執行單步運行到下一步，重復7到8次，從PendSV就進入了UsageFault，在這7到8次中，我看在退出PendSV時，LR寄存器中的值都是0xFFFFFFFD，是合法的啊，當時仔細一想，有可能是退出異常時硬件再將堆棧中的PC賦值給PC時出問題，導致進入了UsageFault。果不其然，在PenSV退出之前，我查看每個PSP（0xFFFFFFFD：返回線程模式，并使用線程堆棧）對應內存數值，能夠正常退出PendSV的寄存器和PSP堆棧內容如下圖所示：

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進入UsageFault異常之前的寄存器和PSP堆棧內容如下圖所示：

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此處堆棧中的內容，明顯的0x20003D94堆棧中的PC值是有問題的，我的程序是燒寫到flash中的PC地址應該是08xxxxxx，然而現在堆棧中的PC地址是0x20003DA8，這個地址是SRAM中的地址，SRAM存儲的數據而不是代碼，出現這個問題的原因，猜想一下，應該就是任務堆棧溢出導致，當我增加任務堆棧的大小之后，哈哈，程序正常運行，世界是如此美好。

3.調試小結

3.1.解決過程小結

其實上面的步驟2，是我自己的一個調試解決問題的過程，這里給大家提供一個比較直接的解決方式。在開始運行程序之前，直接在UsageFault異常入口函數中打一個斷點，然后全速運行程序，等程序停止在UsageFault異常函數的斷點處時，需要注意以下幾點：

(1).如果LR是合法值，那么根據LR判斷退出異常時使用的堆棧，然后在Memory查看窗口中，查看堆棧中R0，R1，R2，R3，R12，LR，PC，xPSR這些寄存器的值，根據這些寄存器的值，判斷是否是堆棧溢出導致該異常發生；如果不是堆棧溢出導致該異常發生，那么就要根據PC值，在匯編窗口中跳轉到PC值對應的代碼處，分析導致異常發生的原因；

(2).如果LR不是合法值，就要分析下你的代碼中，有哪些地方修改過LR的值，確保修改的值要是合法的。

3.2.關于UsageFault 如何才能讓INVPC置1

(1).在退出異常或中斷時，執行BX LR時，LR的值是非法的，此時就會觸發UsageFault異常，并且INVPC置1。

(2).在退出異?；蛑袛鄷r，執行BX LR時，LR的值是合法的，但是退出異常之后要使用的堆棧中，堆棧里面的PC值是有問題的，此時就有可能觸發UsageFault異常，并且INVPC置1。

對于上面的兩點的模擬其實也比較好做，在PendSV或者其他異常的退出的地方打一個斷點，然后手動修改LR或者堆棧中PC的值，就能觸發UsageFault異常，并且INVPC置1。這里注意一下，修改堆棧中PC的值，我這里測試時候，設置PC值為其他值可能引起其他的異常，貌似修改PC的值為RAM中數據區的地址才會出現該異常，不太清楚為什么會這樣，可能是數據區是沒有執行代碼的權限，因此出異常吧，不太確定，有知道的朋友，歡迎留言講解。

審核編輯：劉清