鸿蒙轻内核 M 核的故障管家：Fault 异常处理
摘要：本文先简单介绍下 Fault 异常类型，向量表及其代码，异常处理 C 语言程序，然后详细分析下异常处理汇编函数实现代码。
本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核M核源码分析系列十八 Fault异常处理》，作者：zhushy。
Fault 异常处理模块与 OpenHarmonyLiteOS-M 内核芯片架构相关，提供对 HardFault、MemManage、BusFault、UsageFault 等各种故障异常处理。有关 Cortex-M 芯片相关的知识不在本文讨论，请自行参考《Cortex™-M7 Devices Generic User Guide》等官方资料。本文先简单介绍下 Fault 异常类型，向量表及其代码，异常处理 C 语言程序，然后详细分析下异常处理汇编函数实现代码。文中所涉及的源码，以 OpenHarmonyLiteOS-M 内核为例，均可以在开源站点https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 获取。
1、Fault Type 异常类型
如下图中的 Fault 类型表格所示，Fault 表示各种故障，Handler 表示故障处理机制，Bit Name 标记故障的寄存器的 Bit 位，Fault status register 故障状态寄存器。该图摘自《Cortex™-M7 Devices Generic User Guide》。
2、Vector table 向量表
向量表包含栈指针的复位值和开始地址，也叫异常向量。异常可以看作特殊的中断，异常编号 Exception number, 中断请求号 IRQ number，偏移值 offset，向量 Vector 的对应关系如下图所示，本文主要关注 NMI、HardFault、Memorymanagement fault、Bus fault、Usagefault、SVCall 等异常。
在中断初始化时，会初始化该异常向量表，代码位置 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c。⑴处的 HalExcNMI，⑵处的 HalExcHardFault，⑶处的 HalExcMemFault，⑷处的 HalExcBusFault，⑸处的 HalExcUsageFault，⑹处的 HalExcSvcCall 这些中断异常处理函数定义在 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_exc.S。本文我们主要分析这些汇编函数的代码。
⑺处开始的这两行代码也比较重要，通过更改系统处理控制与状态寄存器（System Handler Control and State Register）的 bit 位来使能相应的异常，通过更改配置与控制寄存器（Configuration and Control Register）的 bit 位来使能除零异常。
3、HalExcHandleEntry 异常处理 C 程序入口
HalExcHandleEntry 异常处理函数是汇编异常函数跳转到 C 语言程序的入口，定义在文件 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c，被 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_exc.S 文件中的汇编函数调用。函数参数由汇编程序中的 R0-R3 寄存器传值进来，汇编程序中的寄存器和 HalExcHandleEntry 函数参数对应关系如下表所示：
下面我们分析下函数的源代码，⑴处的标签表示异常类型参数的高 16 位用于特色的标记，主要用于标记故障地址是否有效、是否故障发生在中断中，是否支持浮点等。⑵处增加中断计数和嵌套异常数目。⑶记录异常类型，⑷处如果记录了有效的故障地址，则获取故障地址。⑸处如果当前运行任务存在时，若标记了异常发生在中断，则记录中断号，并记录异常发生在中断内，否则记录任务编号，并记录异常发生在任务内。如果当前运行任务为空，则异常发生在初始化阶段。⑹处如果异常类型里包含支持浮点数的标记，则相应处理下。⑺处输出异常信息到控制台。
4、Los_Exc 异常处理汇编函数
上文介绍 Vectortable 向量表时，已经提到了在文件 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_exc.S 中定义的的异常处理函数，如下。当发生 Fault 故障异常时，会调度执行这些异常处理函数，本节会详细分析函数的源代码来掌握内核如何处理这些发生的异常。这 6 个函数处理过程类似，我们选择 2 个典型的函数进行分析。
4.1 HalExcNMI
当发生 NMI（Non Maskable Interrupt，不可屏蔽中断）时，会触发运行 HalExcNMI 汇编函数，该函数的执行流程如下图。下文会结合该流程图来阅读函数代码。
HalExcNMI 函数代码如下，⑴处给 R0 寄存器赋值 OS_EXC_CAUSE_NMI，该值等于 16，对应文件 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_arch_interrupt.h 中的异常类型宏定义 OS_EXC_CAUSE_NMI，均为 16。该值对应 HalExcHandleEntry 函数的第一个参数。⑵处设置故障地址，该值对应 HalExcHandleEntry 函数的第二个参数。⑶处跳转到函数 osExcDispatch 继续执行。
下面分析的一些函数比较通用，其他异常处理函数也都会调用。
4.1.1 osExcDispatch 函数
osExcDispatch 函数代码如下，⑴处加载 InterruptActive Bit Registers 中断活跃位寄存器基地址。中断活跃位寄存器共有 8 个，NVIC_IABR0-NVIC_IABR7，每个寄存器包含 32 位，可以对应 32 个中断号，共支持 256 个中断。其中，IABR[0]的 bit 位 0~31 分别对应中断号 0~31；IABR[1]的 bit 位 0~31 对应中断 32~63；其他以此类推。⑵处设置循环计数，对应 8 个寄存器，后文会循环遍历 8 个寄存器查询是否存在活跃的中断。
4.1.2 _hwiActiveCheck 函数
执行完上述 osExcDispatch 函数代码后，会继续执行随后的函数_hwiActiveCheck 的代码。⑴处读取活跃位寄存器的数值，然后执行⑵比较寄存器数值与 0 的大小，如果相等，说明该活跃位寄存器对应的中断均不活跃，然后跳转到_hwiActiveCheckNext。如果不等于 0，则执行⑶，参数类型的高 16 位标记为中断。⑷处代码根据中断活跃位计算中断号，并赋值给寄存器 R2，该值对应 HalExcHandleEntry 函数的第三个参数。具体计算方式为，首先反转活跃中断位寄存器数值 R3，并保存到 R2，然后计算高位 0 的数量。把计数值 R12 加 1，然后左移 5 位（等于乘以 32），然后加上 R2，就是中断号。
4.1.3 _ExcInMSP 函数和_NoFloatInMsp 函数
如果有活跃的中断，则继续执行后续的代码。处理中断时，使用的主栈处理函数_ExcInMSP。⑴处比较异常返回值和 #0XFFFFFFED 的大小，如果相等说明支持浮点计算则继续执行后续代码，如果不相等则不支持浮点计算，会跳转到函数_NoFloatInMsp 函数。有关异常返回值的更多信息请参考《Cortex™-M7 Devices Generic User Guide》表格 Table 2-15 Exception return behavior。
如果支持浮点计算时，执行⑵把栈指针加上 104 赋值给 R3 寄存器，然后压栈，该值对应 HalExcHandleEntry 函数的第四个参数。104 的大小应该来源于结构体 EXC_CONTEXT_S。⑶处把寄存器 PRIMASK 数值复制到 R12 寄存器，然后把 R4-R12 寄存器压栈。⑷处把浮点寄存器压栈，⑸处跳转到函数_handleEntry。
当不支持浮点计算时，执行函数_NoFloatInMsp。⑹处把栈指针加上 32 赋值给 R3 寄存器，然后压栈，该值对应 HalExcHandleEntry 函数的第四个参数。然后把 R3 压栈，把寄存器 PRIMASK 数值复制到 R12，然后压栈 R4-R12。和支持浮点时的差别就是，不需要压栈 D8-D15 寄存器。⑺处把参数类型高位上加上不支持浮点的标记，然后跳转到函数_handleEntry。
4.1.4 _hwiActiveCheckNext 函数
遍历中断活跃位寄存器时，如果前一个寄存器没有活跃的中断则执行函数_hwiActiveCheckNext 判断下一个寄存器是否有活跃的中断。⑴处把活跃位寄存器地址偏移 4 字节，计数减 1，如果还有其他活跃位寄存器，则跳转到函数_hwiActiveCheck 继续判断。否则执行后续的代码，⑵处加载 SystemHandler Control and State Register(缩写 SHCSRS)系统处理控制与状态寄存器的地址，然后加载半字节数值。⑶处加载掩码 0xC00，该数值二进制的第 10、第 11 位为 1。SHCSRS 寄存器的第 11 位对应 SysTick 异常活跃位，第 10 位对应 PendSV 异常活跃位。⑷处 R2、R3 进行逻辑与计算，然后把结果与 0 进行比较，如果结果为 0，说明没有发生 ysTick 异常或 PendSV 异常。如果结果为 1，说明发生了异常，需要执行⑸跳转到函数_ExcInMSP 继续执行，上文已分析该函数。⑹处获取全局变量 g_taskScheduled 的地址，然后获取其数值，与 1 进行比较。如果等于 1，说明系统已经开始任务调度，会继续执行后续的代码。如果不为 1，系统未调度，处于初始化阶段，需要跳转到函数_ExcInMSP 继续执行。
如果系统开始了任务调度，此时使用进程栈 PSP，执行⑺，判断系统是否支持浮点计算。如果支持则继续执行，否则跳转到函数_NoFloatInPsp。⑻处开始的代码和函数_NoFloatInPsp 可以对比着阅读，前者需要压栈浮点寄存器，后者不需要。⑻处把栈指针复制到 R2 寄存器，然后把栈指针减去 96。⑼处把 PSP 线程栈指针值赋值给 R3 寄存器，然后把 R3 加 104 赋值给寄存器 R12，计算出来的值是任务栈指针，然后进行压栈。
⑽处复制 PRIMASK 寄存器数值到 R12，然后把寄存器 R4-R12 压栈，接着压栈浮点寄存器 D8-D15。⑾处从 PSP 栈指针开始把 R4-R11、D8-D15 出栈，然后从 R13 栈指针开始把 D8-D15、R4-R11 进行压栈。⑿处跳转到函数_handleEntry 继续指向。
4.1.5 _handleEntry 函数
继续分析函数_handleEntry。代码很简单，⑴把栈指针复制给 R3，该值对应 HalExcHandleEntry 函数的第四个参数。⑵处关闭中断，关闭 Fault 异常，然后执行⑵跳转到 C 语言的函数 HalExcHandleEntry。
4.2 HalExcUsageFault
当发生使用异常 UsageFault 时，会触发运行 HalExcUsageFault 汇编函数，该函数的执行流程如下图。下文会结合该流程图来阅读函数代码。
HalExcUsageFault 函数代码如下，⑴处把可配置故障状态寄存器 Configurable Fault Status Register（CFSR）的地址复制到 R0 寄存器，然后读取寄存器值到 R0 寄存器。⑵处把 0x030F 赋值给 R1 寄存器，然后左移 16 位。UsageFaultStatus Register 使用故障状态寄存器的有效性如下，即 0-3，8-9 为有效位，0x030F 的二进制对应这些有效位。⑶处进行逻辑与，这样就计算出实际的使用故障对应的 bit 位。⑷处把 R12 赋值为 0，然后会继续执行后续的汇编代码 osExcCommonBMU。
4.2.1 g_uwExcTbl 数组
在看 osExcCommonBMU 函数的代码之前需要了解下 g_uwExcTbl 数组，g_uwExcTbl 数组定义在文件 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c，代码如下。
该数组包含 32 个元素，每个元素对应 CFSR 寄存器的一个 bit 位，元素数值在 LiteOS-M 中定义为异常类型。比如 OS_EXC_UF_DIVBYZERO 等于异常类型 10，为除零异常。
4.2.2 osExcCommonBMU 函数
现在来分析下汇编代码 osExcCommonBMU。⑴处计算出 R0 数值的高位 0 的个数，加载数组全局变量 g_uwExcTbl 地址到 R3 寄存器，然后执行⑵计算是第几个数组元素，加载元素值到 R0 寄存器。⑶处 R0 与 R12 进行逻辑或运算，没有什么影响。R0 对应 HalExcHandleEntry 函数的第一个参数。后续会继续执行 osExcDispatch 函数，前文已经分析过。
小结
本文介绍了 Fault 异常类型，向量表及其代码，异常处理 C 语言程序，异常处理汇编函数实现代码。感谢阅读，如有任何问题、建议，都可以博客下留言给我，谢谢。
参考资料
Cortex™-M7 Devices Generic User Guide Download
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【华为云开发者社区】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/4b0fad65c7a41c16c94486bf1】。文章转载请联系作者。
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