深入探究STM32中的Hard Fault Handler

一、什么是Hard Fault

1、在嵌入式系统中，Hard Fault是指执行一条非法的或无效的指令所导致发生的硬件异常错误。

2、出现Hard Fault的原因可能是内存访问异常、指针出现问题、堆栈溢出、NVIC中断分组错误等。

3、虽然无法避免Hard Fault的发生，但是我们可以通过Hard Fault Handler来处理它，并在程序运行时提供一定的监控和定位功能。

二、STM32中的Hard Fault Handler

1、STM32中提供了硬件中断向量表（Interrupt Vector Table，简称IVT），其中包含了一些保留的中断向量，其中就有一个用于处理Hard Fault的向量。

2、当CPU遇到Hard Fault时，会自动跳转到IVT中的Hard Fault向量，此时Hard Fault Handler便开始执行。

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

3、上述代码便是STM32默认的Hard Fault Handler实现，其中使用了汇编指令读取SCB寄存器中的CFSR（Configurable Fault Status Register）寄存器，并通过软件中断指令（BKPT指令）实现了停在代码中断处的效果。此时我们可以通过调试工具读取CFSR寄存器的值来进行故障定位。

三、如何优化Hard Fault Handler

1、默认的Hard Fault Handler只提供了一个基本的调试信息输出，我们可以根据实际需求进行优化。

2、比如，可以通过断言等手段检查相关寄存器的值，并将该信息输出到串口中，以实现远程监控和故障定位。

void HardFault_Handler(void)
{
    uint32_t* sp = (uint32_t*)__get_MSP(); // 获取堆栈指针
    uint32_t pc = (uint32_t)__get_IPSR();  // 获取出现错误时的指令地址
    uint32_t cfsr = SCB->CFSR;     // 获取CFSR寄存器的值
    uint32_t hfsr = SCB->HFSR;     // 获取HFSR寄存器的值
    uint32_t mmfar = SCB->MMFAR;   // 获取MMFAR寄存器的值
    uint32_t bfar = SCB->BFAR;     // 获取BFAR寄存器的值

    // 将相关信息输出到串口
    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、上述代码演示了如何使用printf函数将相关寄存器的值输出到串口中。通过调用这个自定义的Hard Fault Handler，我们可以获得更多有关故障的信息。

四、如何调用Hard Fault Handler

1、由于Hard Fault是一种特殊的异常情况，因此程序无法通过普通的错误处理机制来捕获它。我们需要手动地在程序中加入一些处理代码，来调用Hard Fault Handler。

2、针对不同版本的GCC编译器和不同型号的STM32芯片，这些代码可能有所不同。一些最基本的方法包括：

（1）在main函数前加入以下代码，即可使用默认的Hard Fault Handler：

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

（2）使用CMSIS库提供的NVIC_SystemReset函数来重置系统，并在其后调用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，因为重置系统会导致所有寄存器的值被清除，所以可能会对调试造成困扰。

五、总结

1、在嵌入式系统中，Hard Fault是一种严重的异常情况。

2、STM32中提供了默认的Hard Fault Handler，可以用于基本的故障定位和调试。

3、Hard Fault Handler可以根据实际需求进行优化，以提供更详细的故障信息。

4、在程序中手动调用Hard Fault Handler，需要根据具体情况选择适当的方法。