- /*!
- * [url=home.php?mod=space&uid=288409]@file[/url] main.c
- *
- * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] Main program body
- *
- * [url=home.php?mod=space&uid=895143]@version[/url] V1.0.3
- *
- * [url=home.php?mod=space&uid=212281]@date[/url] 2023-07-31
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- * Copyright (C) 2021-2023 Geehy Semiconductor
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- */
- /* Includes */
- #include "main.h"
- #include "Board.h"
- #include "apm32f4xx_gpio.h"
- #include "apm32f4xx_adc.h"
- #include "apm32f4xx_misc.h"
- #include "apm32f4xx_usart.h"
- #include "apm32f4xx_tmr.h"
- #include <stdio.h>
- #include <string.h>
- /** @addtogroup Examples
- @{
- */
- /** @addtogroup ADC_AnalogWindowWatchdog
- @{
- */
- /** @defgroup ADC_AnalogWindowWatchdog_Macros Macros
- @{
- */
- /* printf using USART1 */
- #define DEBUG_USART USART1
- #define APM_COMInit APM_TINY_COMInit
- /**@} end of group ADC_AnalogWindowWatchdog_Macros*/
- /** @defgroup ADC_AnalogWindowWatchdog_Functions Functions
- @{
- */
- // 用户模式堆栈配置
- #define PSP_STACK_SIZE 512
- static uint32_t psp_stack[PSP_STACK_SIZE/4] __attribute__((aligned(8)));
- void USARTInit(void);
- void generate_BusFault(void);
- void generate_UsageFault(void);
- void generate_HardFault(void);
- void print_fault_status(void);
- // MPU配置（触发保护错误）
- void MPU_Config(void)
- {
- // 关闭MPU
- ARM_MPU_Disable();
- /* 配置区域0：全地址空间禁止访问 */
- ARM_MPU_SetRegion(
- ARM_MPU_RBAR(0, 0x00000000), // 区域编号0，基地址0x00000000
- ARM_MPU_RASR(
- 1, // DisableExec：禁止指令获取
- ARM_MPU_AP_NONE, // 无访问权限
- 0, // TypeExtField：设备内存
- 0, // IsShareable：非共享
- 0, // IsCacheable：不可缓存
- 0, // IsBufferable：不可缓冲
- 0x00, // SubRegionDisable：不禁止任何子区域
- ARM_MPU_REGION_SIZE_4GB // 覆盖整个4GB地址空间
- )
- );
- // 启用MPU并允许特权模式默认内存映射
- ARM_MPU_Enable(MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Msk);
- // 确保配置生效
- __DSB();
- __ISB();
- }
- // 硬错误诊断处理
- __attribute__((naked)) void HardFault_Handler(void)
- {
- __asm volatile (
- "TST LR, #4\n" // 检查EXC_RETURN的位2
- "ITE EQ\n" // 根据结果选择堆栈指针
- "MRSEQ R0, MSP\n" // 使用MSP
- "MRSNE R0, PSP\n" // 使用PSP
- "B HardFault_Diagnose\n"
- );
- }
- void HardFault_Diagnose(uint32_t *stackFrame)
- {
- volatile uint32_t cfsr = SCB->CFSR;
- volatile uint32_t hfsr = SCB->HFSR;
- volatile uint32_t bfar = SCB->BFAR;
- printf("\n!!! HardFault Occurred !!!\n");
- printf("CFSR: 0x%08X\n", cfsr);
- printf("HFSR: 0x%08X\n", hfsr);
-
- if(cfsr & (1 << 16)) { // 检查BFARVALID标志
- printf("BFAR: 0x%08X\n", bfar);
- }
-
- printf("Stack Frame:\n");
- printf("R0 : 0x%08X\n", stackFrame[0]);
- printf("R1 : 0x%08X\n", stackFrame[1]);
- printf("R2 : 0x%08X\n", stackFrame[2]);
- printf("R3 : 0x%08X\n", stackFrame[3]);
- printf("R12: 0x%08X\n", stackFrame[4]);
- printf("LR : 0x%08X\n", stackFrame[5]);
- printf("PC : 0x%08X\n", stackFrame[6]);
- printf("xPSR:0x%08X\n", stackFrame[7]);
-
- while(1); // 进入死循环便于调试
- }
- // 用户模式任务（故意触发错误）
- __attribute__((noreturn)) void User_Task(void)
- {
- printf("\n[User Task] Entering User Mode\n");
- printf("Current CONTROL: 0x%08X\n", __get_CONTROL());
-
- // 尝试非法操作（以下三种错误任选其一）
- // 1. 访问特权寄存器
- SCB->SHCSR = 0; // 触发UsageFault
- // 2. 访问受保护内存
- // uint32_t *ptr = (uint32_t*)0x20000000; // 受MPU保护区域
- // *ptr = 0xDEADBEEF; // 触发MemManage
-
- // 3. 非法地址访问
- // uint32_t *bad_ptr = (uint32_t*)0xE0000000; // 保留地址
- // *bad_ptr = 0xCAFEBABE; // 触发BusFault
-
- while(1);
- }
- /*!
- * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] Main program
- *
- * @param None
- *
- * @retval None
- */
- int main(void)
- {
- // 系统初始化
- USARTInit();
- printf("\nSystem Startup\n");
-
- // 配置MPU
- MPU_Config();
-
- // 初始化PSP堆栈
- __set_PSP((uint32_t)(psp_stack + PSP_STACK_SIZE/4 - 1));
- memset(psp_stack, 0xAA, PSP_STACK_SIZE); // 填充测试模式
-
- // 切换到用户模式
- printf("Switching to User Mode...\n");
- __set_CONTROL(0x01); // 启用PSP
- __ISB(); // 指令同步屏障
-
- // 跳转到用户任务
- User_Task();
-
- // 理论上不会执行到这里
- while(1);
- }
- /*!
- * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] USART Init
- *
- * @param None
- *
- * @retval None
- */
- void USARTInit(void)
- {
- /* USART Initialization */
- USART_Config_T usartConfigStruct;
- /* USART configuration */
- USART_ConfigStructInit(&usartConfigStruct);
- usartConfigStruct.baudRate = 115200;
- usartConfigStruct.mode = USART_MODE_TX_RX;
- usartConfigStruct.parity = USART_PARITY_NONE;
- usartConfigStruct.stopBits = USART_STOP_BIT_1;
- usartConfigStruct.wordLength = USART_WORD_LEN_8B;
- usartConfigStruct.hardwareFlow = USART_HARDWARE_FLOW_NONE;
- /* COM1 init*/
- APM_COMInit(COM1, &usartConfigStruct);
- }
- #if defined (__CC_ARM) || defined (__ICCARM__) || (defined(__ARMCC_VERSION) && (__ARMCC_VERSION >= 6010050))
- /*!
- * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] Redirect C Library function printf to serial port.
- * After Redirection, you can use printf function.
- *
- * @param ch: The characters that need to be send.
- *
- * @param *f: pointer to a FILE that can recording all information
- * needed to control a stream
- *
- * @retval The characters that need to be send.
- *
- * @note
- */
- int fputc(int ch, FILE* f)
- {
- /* send a byte of data to the serial port */
- USART_TxData(DEBUG_USART, (uint8_t)ch);
- /* wait for the data to be send */
- while (USART_ReadStatusFlag(DEBUG_USART, USART_FLAG_TXBE) == RESET);
- return (ch);
- }
- #elif defined (__GNUC__)
- /*!
- * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] Redirect C Library function printf to serial port.
- * After Redirection, you can use printf function.
- *
- * @param ch: The characters that need to be send.
- *
- * @retval The characters that need to be send.
- *
- * @note
- */
- int __io_putchar(int ch)
- {
- /* send a byte of data to the serial port */
- USART_TxData(DEBUG_USART, ch);
- /* wait for the data to be send */
- while (USART_ReadStatusFlag(DEBUG_USART, USART_FLAG_TXBE) == RESET);
- return ch;
- }
- /*!
- * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] Redirect C Library function printf to serial port.
- * After Redirection, you can use printf function.
- *
- * @param file: Meaningless in this function.
- *
- * @param *ptr: Buffer pointer for data to be sent.
- *
- * @param len: Length of data to be sent.
- *
- * @retval The characters that need to be send.
- *
- * @note
- */
- int _write(int file, char* ptr, int len)
- {
- int i;
- for (i = 0; i < len; i++)
- {
- __io_putchar(*ptr++);
- }
- return len;
- }
- #else
- #warning Not supported compiler type
- #endif
- /**@} end of group ADC_AnalogWindowWatchdog_Functions */
- /**@} end of group ADC_AnalogWindowWatchdog */
- /**@} end of group Examples */
1. USARTInit( )：串口初始化，用于调试打印；
2. MPU_Config( )：配置MPU，使得默认整个地址空间不可访问，仅特权模式可正常运作；
3. 初始化PSP堆栈：分配一块512字节的数组 psp_stack，然后通过 __set_PSP() 设置PSP指针；
4. 切换到PSP并进入用户模式：__set_CONTROL(0x01) + __ISB()；
5. 在User_Task()中添加故意触发错误的操作，如访问“受MPU保护的地址”0x20000000；
6. 当错误发生后，会进入HardFault_Handler或对应的Fault处理函数；
7. 在HardFault_Handler中，通过汇编判断是MSP还是PSP产生的异常，再调用HardFault_Diagnose()进行打印。
代码运行后，串口可根据我们选择情况，打印出相应的错误信息。
例程详细分析
上文介绍的示例代码中，在“User_Task()”里故意留了三种触发错误的写法，每种对应不同的故障类型。以下将分别说明在实际运行该代码时，各场景所呈现的现象。
1.使用“SCB->SHCSR = 0;”触发UsageFault
在User_Task()中，如果取消注释“SCB->SHCSR = 0;”这行代码，而注释掉其他两种非法访问，就会发生以下情况：
• 该行代码试图在非特权模式下写访问系统控制块（SCB）的寄存器，这是一个仅供特权模式访问的寄存器区域；
• 根据Cortex-M的权限模型，用户态访问特权寄存器必然触发UsageFault异常；
• 由于示例代码中的Fault处理统一最终会进入HardFault_Handler，再由我们在汇编里检测LR、选择当前栈指针，然后跳到HardFault_Diagnose()打印信息；实际观测到的CFSR寄存器中，UsageFault相关比特会被置位（如UNDEFINSTR或INVSTATE），从而指示这是一次UsageFault；
• 终端打印可能类似：“CFSR: 0x00000100”或“CFSR: 0x00000002”等，具体位需根据内核版本、访问地址来判定。当看到CFSR里UsageFault标志置1，就能知道是用户态违规访问了特权寄存器；
• 其后系统进入死循环，让我们能在调试器里查看寄存器、栈信息。
2.使用“(uint32_t)0x20000000 = 0xDEADBEEF;”触发MemManage Fault
在示例中，这行实际已被取消注释，是默认触发的场景：
• 代码把指针指向0x2000 0000，然后写入0xDEADBEEF。由于MPU_Config()中设置了整个4GB地址空间都不可访问（除了特权模式默认映射），所以在用户态下，这个地址被禁止写；
• 因此执行到“*ptr = 0xDEADBEEF;”时会触发MemManage Fault；
• 同样地，我们的Fault处理函数会跳到HardFault_Handler里的汇编逻辑，再传递栈信息给HardFault_Diagnose()；
• 此时CFSR中MemManage Fault相关的位（如MMARVALID）会被置位，同时SCB->MMFAR（即SCB->BFAR在某些内核版本中共用或部分重叠）里可能记录了触发故障的地址“0x20000000”；
• 在输出信息中可以看到如“BFAR: 0x20000000”或“MemManage Fault”提示；具体名称可能因Cortex-M3与M4、M7的寄存器结构稍有差异，需要读者实测。
• 最终，该Demo在此故障出现后会停留在硬Fault死循环中，等待我们在调试器中观测或复位重启。
3.使用“(uint32_t)0xE0000000 = 0xCAFEBABE;”触发BusFault
若在User_Task()中取消注释“(uint32_t)0xE0000000 = 0xCAFEBABE;”一行，并注释掉前两者：
• 0xE0000000~0xE00FFFFF 通常是内核私有外设（如NVIC、SysTick、SCB等）的物理地址或保留地址空间。在部分MCU中，访问其中某些保留地址或未映射相应外设的区间，就会发生总线访问失败：BusFault；
• 执行这行语句后，处理器会发现总线地址无效或没有对应功能，随即抛出BusFault。若BusFault处理流程本身出问题，可能进一步升级为HardFault。
• 进入Fault后，CFSR中BusFault相关位会被置位，可能具体表现为“PRECISERR”或“IMPRECISERR”等；SCB->BFAR寄存器也会呈现最后一次触发故障的地址（0xE0000000）。
• 同样，HardFault_Diagnose()会打印“BFAR: 0xE0000000”或类似信息，提示BusFault来源于该地址。
• 对于绝大多数MCU，此时在终端或调试器也能觀察到相应的BusFault标志信息。再结合MPU配置，可以更精准地锁定错误发生时访问的是哪个地址区间。
整体现象比较
• UsageFault主要与非法指令或非法访问（如用户态干预特权寄存器）相关；
• MemManage Fault直接与MPU权限或栈保护等内存安全策略相关；
• BusFault多与访问无效外设、无效总线地址等问题相关；
在本Demo中，最终都统归到HardFault_Handler进行调试，但从CFSR、HFSR、BFAR/MMFAR寄存器的值，可以明确分辨是哪种具体Fault类型。
以上三种案例可帮助我们一次过演示“如何进入故障”“故障如何被捕获”“如何查看寄存器并判断故障类型”，为之后排除更复杂的问题打下基础。
代码执行顺序与收尾
由于在User_Task()中我们陷入了死循环或故障状态，理论上不会再回到main()的后续部分，因此本示例运行后要么保持在死循环，要么被调试器暂停。我们可以在这种状态下仔细查看栈内存（PSP区域是否真的写入了某些数据）、寄存器值和MPU配置寄存器等，“看见”硬件一级的响应机制，对学习与后续开发帮助甚大。
七、常见故障类型与Fault处理
在Cortex-M内核上，常见故障类型可以被分为：
1. MemManage Fault
当用户态访问了被MPU禁止的内存区域，或者是出于对栈的保护而故意设置的不可访问区域，即会抛出MemManage Fault。
2. BusFault
总线访问错误，例如访问空地址、访问不可用的外设或保留地址空间，也会触发BusFault。如果BusFault处理不当，也可升级成HardFault。
3. UsageFault
当执行了未定义指令、或在非特权模式下访问特权寄存器时，会抛出UsageFault。比如示例中故意修改SCB->SHCSR可以触发UsageFault。
4. HardFault
当上述Fault无法被单独捕获或出现更严重的状况，如处理Fault本身也出错时，Fault会升级成HardFault。此时，需要查看SCB->HFSR, SCB->CFSR等寄存器来做进一步分析。
5. Fault处理例程：汇编与C结合的诊断手段
在Demo中，我们用__attribute__((naked))来修饰HardFault_Handler，使编译器不生成函数栈帧的入口/出口代码；随后在汇编代码里区分当前堆栈指针（PSP或MSP），并将其地址传递给C函数 HardFault_Diagnose()。这种方式可以详细获取R0~R3、R12、LR、PC、xPSR等寄存器内容，对深入定位问题非常有用，我这里也是借鉴那些大佬的栈回溯定位，编写的一个简单的调试结果打印。
八、更深层的应用与调试技巧
1. 与RTOS的结合
在RTOS场景下，不同任务可使用不同PSP起始地址，从而将任务栈完全分离；中断处理会使用MSP，这样既避免了多个任务共享堆栈可能导致的干扰，也允许我们对任务栈进行更细粒度的保护。
2. 保证PSP和MSP独立性
通常我们会在链接脚本或启动文件中，单独划出一段内存作为进程堆栈（PSP），另一段作为主堆栈（MSP），并在MPU_Config()中明确指出哪一段内存对用户模式可访问、哪一段仅能特权访问。
3. 常见调试手段
• 观察CONTROL寄存器与PSP/MSP当前值；
• 检查MPU配置与内存对齐；
• 看SCB->CFSR、SCB->HFSR、SCB->MMFAR、SCB->BFAR等Fault相关寄存器；
• 使用裸机汇编或GDB在出现Fault时查看栈帧。
只有充分掌握这些调试技能，才能更好地处理各种突发或诡异的错误现象。
4. 切换堆栈后的函数调用与返回
在用户模式下调用的函数，若本身要访问特权寄存器，必须在进入函数前切换到特权模式，否则一旦操作就会抛出UsageFault。一个常见的做法是通过SVC指令（Supervisor Call）让特权层代理执行关键操作。
5. 注意编译器优化和堆栈保护
在高优化等级下，编译器可能对函数调用、变量存储做内联或优化处理；需要确认不会破坏对PSP的使用模式，可通过观察.map文件或使用断点逐步调试来核实真正的访存地址。
6. 生产环境中的安全考量
在对安全性要求较高的场景下，双堆栈结合MPU可以极大阻止“误操作”或“恶意破坏”对关键寄存器或数据区域的访问。但要真正形成安全闭环，还需要从启动代码、RTOS内核、外设驱动、Bootloader权限等多方面入手统筹设计。
九、总结
APM32双堆栈及MPU保护机制作为Cortex-M架构的精髓之一，既有硬件底层的技术魅力，也有与应用场景（RTOS、多任务、安全需求）完美契合的实用价值。尤其在嵌入式系统日益复杂、对安全与可靠性要求越来越高的当下，通过学习与掌握这些技术，可以让我们在驱动程序或应用开发中更游刃有余，更加放心地将用户任务与系统特权操作分隔开来，也能在故障排查时快速定位问题。
常见疑问
• 如果只是在单任务裸机环境中开发，是否必须启用PSP？
并非必须，但当项目规模较大、对安全要求较高时，启用PSP仍具价值；即便是裸机，也可以享受到更好排错与安全隔离的好处。
• MPU是否会影响性能？
一般地，MPU本身的开销非常小，主要是配置时需要谨慎；在运行时，若访问受限或越界，触发Fault那才会产生额外调试成本。所以合理配置比担心性能更关键。
• 如果在用户模式下，需要访问特权资源怎么办？
通常做法是使用SVC指令（软件中断）或回调到特权模式执行关键操作；也可以在启动时给予适当权限，但要确保安全风险可控。
附件
1.本文例程源码：
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