一个地址未对齐引起的 HardFault 异常

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cathy 发布于:周二, 02/14/2023 - 17:20 ,关键词:

1.概述

客户在使用 STM32G070 的时候,KEIL MDK 为编译工具,当编译优化选项设置为Level0 的时候,程序会出现 Hard Fault 异常,而当编译优化选项设置为 Level1 的时候,则程序运行正常。

表面上看,这似乎是 KEIL MDK 的问题,通过分析,导致这个问题的本质原因是内存地址没有对齐引起的,下面章节将详细分析该问题的来龙去脉以及解决方法。

2.问题描述与分析

根据客户的反馈,引起问题的代码很简单,客户定义了几个全局数组,在主程序中访问这几个数组就会出现 Hard Fault 异常,参考代码如下。

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把客户提供的代码片段移植到 NUCLEO-G070RB 开发板上,问题很容易就复现了,代码本身功能简单,写法上也没有错误,所以从代码片段本身上看,无法确定问题出在哪里,通过 KEIL 调试器,在汇编窗口单步调试下,最终发现导致 HardFault 异常的语句为下图所示语句。

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根据单步调试得知出现问题的语句为 LDR 指令,参考 Cortex M0 编程手册 PM0223 得知 LDR 指令的作用是从内存地址中加载一个 WORD 数据到目的寄存器 Rt 中,其中内存地址根据 Rn 或者 SP 寄存器的值以及立即数 imm 得到。

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根据指令的描述,使用 LDR 指令的时候,通过 Rn 和 imm 计算得到的内存地址必须是读取字节数的倍数,LDR 每次读取一个 WORD,所以使用 LDR 指令时,内存地址必须 4字节对齐。如果地址没有对齐,则会导致 HardFault 异常。

结合 LDR 指令的描述,在调试状态下,通过查看寄存器值,图 2 出错语句中根据 Rn和 imm 计算得到的内存地址为 R0=0x2000000B,imm=4 所以内存地址为 0x2000000F,很显然这个地址不是 4 字节对齐的。

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而当我们改变编译优化选项为 Level1 时,得到的内存地址为R0=0x20000000,imm=0x04 显然这个地址是按照 4 字节对齐的,所以这种情况下是不会出现 HardFault 异常的,印证了客户的问题现象。

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3.问题解决

通过上一节的分析,明确了导致该问题的本质原因是内存地址没有对齐,这个内存地址实际上是代码中定义的全局变量 g_curPlaySound_app 指向的地址,也就是全局数组变量 SoundFile 的地址,在编译器不同的优化选项下,分配给 SoundFile 变量的地址是不一样的,在本案例中,编译优化选项 Level0 条件下,SoundFile 分配的地址没有按照WORD 对齐,而在优化选项 Level1 条件下,SoundFile 分配的地址是 WORD 对齐,所以在两种优化选项下,出现了不一样的运行结果。

所以要保证程序不出错,当通过指针访问变量的时候,要确保指针指向的地址是 4 字节对齐的,在 Keil 环境下,可以通过__attribute__((aligned (4))) 关键字实现,如下图所示,通过该关键字,对齐了地址,也就不会出现 HardFault 异常了。

图6 确保地址对齐

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4.总结

地址未对齐是嵌入式系统中容易忽视的一个细节,忽视这点往往会导致一些奇怪的问题,所以在开发过程中,注意这些细节还是很有必要的。

参考文献:PM0223 Programming maual

来源:STM32单片机

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