引  言
在 STM32 TrustZone 开发调试技巧的前两篇中，我们介绍了内核的 SAU/IDAU，地址的安全属性配置，资源的安全属性配置，内核访问资源的安全规则，以及 TrustZone 环境下外设使用的常见问题等内容。TrustZone 环境开发中还可能经常遇到的一个问题就是软件触发的故障错误。ARM CM33内核 TrustZone 环境下的异常模型以及 Fault 的处理与不带安全扩展的情况有着很多变化，一旦出现 HardFault，经验不足的开发者可能往会找不到头绪，不知道从哪里着手寻找问题所在。因此，在这一篇的重点将围绕 CM33 TrustZone 环境下的异常模型以及 HardFault 的调试与处理展开，供开发者参考。

+ c( t9 G, |0 p/ A一、CM33 TrustZone 架构下的异常模型
. z+ z; [7 @7 p# J, I0 w在 STM32 TrustZone 开发调试技巧的第二篇中我们介绍过 CM33 带安全扩展的 S 和 NS 侧的中断以及中断向量表，这里不再赘述。表 1 总结了其中的 Fault 异常。

2 u9 }# `0 }, n$ q% `7 p1.1. Fault 异常类型（带安全扩展）
1.1.1. Hard Fault
5 N. w( }) [0 e9 h5 uHardFault 是默认的 Fault 异常，总是使能。触发的原因可能是由于异常处理本身触发了错误，或者某个异常无法被其他机制处理而上升到 HardFault。它的优先级高于所有其他可配置优先级的异常。

在 TrustZone 环境中，HardFault 不是 Bank 的。同一个异常，要么触发 S 侧的HardFault，要么触发 NS 侧的 HardFault。SCB 的 AIRCR.BFHFNMINS 决定了是否使能NS的BusFault，HardFault 和NMI。如果SCB 的 AIRCR.BFHFNMINS=0，HardFault 总是触发 S 侧的 HardFault Hanlder；如果 AIRCR.BFHFNMINS=1，则故障可能触发 NS 侧的 HardFaultHandler，也可能触发 S 侧的 HardFault Handler。图1 给出了在其他 Fault 未使能情况下，HardFault Handler 触发一般情形。
/ u9 r$ z4 F7 m: H

8 Z# y% q0 X4 k% w

. R+ O# R' l1 ~; ?6 [
3 Y/ L0 N% w# k0 s$ f需要注意的是，即使 AIRCR.BFHFNMINS=1，原本 target 到 S 侧并且上升为 HardFault 的异常，将依旧触发 S 侧的 HardFault，他们并不受到 AIRCR.BFHFNMINS 位的影响，例如当安全代码违反 MPU 保护规则，产生 MemManage 错误的时候，即使 AIRCR.BFHFNMINS=1，故障还是会进入 Secure HardFault Handler。而 NS 侧的 HardFault，只有当AIRCR.BFHFNMINS=1 时才有可能会被触发。
4 ?* p( D3 C0 l1 H9 ^3 Q8 t
9 I- [0 j# }5 P3 [另外还要注意一点，AIRCR 寄存器不能直接修改，需要先写 Key 值才能更改寄存器内容。置位或清除 AIRCR.BFHFNMINS bit 的示例代码如下（只能在安全代码中使用）：
/ x9 U: s; b' Z+ ~1 U3 G/ P  }

1. void SECURE_SetNMIHFBFTarget(int NS)
   
2. {
   
3. uint32_t reg_value;
   
4. uint32_t target = (NS==1)?1:0;
   
5. /* read old register configuration */
   
6. reg_value = SCB->AIRCR;
   
7. /* clear bits to change */
   
8. reg_value &= ~((uint32_t)(SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk | SCB_AIRCR_BFHFNMINS_Msk));
   
9. /* insert write key and target bit */
   ) Q4 T: J5 l1 k7 n) B
10. reg_value = (reg_value |
    
11. ((uint32_t)0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |
    : \: f. o5 V  \$ f: k, z4 J, H% I! Q
12. (target << SCB_AIRCR_BFHFNMINS_Pos) );
    
13. SCB->AIRCR = reg_value;
    
14. }

复制代码

' h1 ?) e" i. [) [% u) L注意：有的时候，软件可能需要设置 AIRCR.PRIS 位，来整体降低 NS 中断的优先级（例如在 TF-M 的实现中就使用这个机制）。这时候，如果同时设置 AIRCR.PRIS=1，AIRCR.BFHFNMINS=1，内核的行为将不可预测。因此如果需要设置 AIRCR.PRIS=1，则建议保持 AIRCR.BFHFNMINS=0。

& p/ Z, p9 ]0 N; N
! e- ?% F3 w/ V( h$ E1.1.2. Bus Fault
% D8 I# {9 R/ M* fBus Fault 通常发生在指令或数据访问时候，可能由于检测到 memory 系统的总线错误而导致。Bus Fault 默认不使能，就是说总线故障默认将触发 HardFault Handler。如果需要单独使能 Bus Fault，可以将 SCB 的 SHCSR.BUSFAULTENA 位设 1。
  Q& `2 r- u" P  S# ?- I
在 TrustZone 环境中，Bus Fault 也不是 Bank 的。触发 S 还是 NS 侧的 BusFault Handler与SCB 的AIRCR.BFHFNMINS 有关。如果 AIRCR.BFHFNMINS=0，BusFault 总是 target 到S 安全状态；反之如果 AIRCR.BFHFNMINS=1，则 target 到 NS 非安全状态。
& D4 y6 S. {0 }0 V& a8 @! H5 Z8 f
产生 Bus 错误时，实际会触发哪个 Fault Handler，将取决于 AIRCR.BFHFNMINS 和SCB_S/NS 的 SHCSR.BUSFAULTENA 的设置。图 2 给出了 Bus 错误触发 Fault Handler 的一般情况（例如这里不考虑安全侧 Vector 错误依旧上升到 Secure HardFault 的情况）。

. |6 e! [# `0 [1 ^/ H- X

5 B, S) w, o6 ?通常情况下，SCB 的 CFSR/BFSR 和 BFAR 寄存器中会标记总线故障信息。在 TrustZone环境中，SCB 的某些寄存器以及寄存器的某些比特位是 Bank 的。从安全侧和非安全侧都能够看到各自的 SCB 寄存器，但是 CFSR 寄存器的 BFSR 域以及 BFAR 寄存器并不是 Bank 的。而 Bus 故障可能 target 到 S 安全侧也可能 target 到 NS 非安全侧，当发生总线错误的时候，如果分别从 SCB_S、SCB_NS 的相关寄存器中读取 Bus Fault 的信息，可以看到不同的结果。

; Q" @# [0 P' ?  q) Q( F7 v" @如果 AIRCR.BFHFNMINS=0，只有安全侧可以看到 BFSR 和 BFAR 的真实数据，非安全侧读取 BFSR、BFAR，或者从安全侧读取 BFSR_NS，BFAR_NS 都只能读到全 0 的值。
5 `4 X0 v: h  u# F, o- n1 _; D# L* Z
如果 AIRCR.BFHFNMINS=1，BFAR_NS 和 BFAR_S 的值一般会读取到相同的值。通常，代码需要处理 BusFault 时，如果使用默认配置，即保持 BusFault target 到 S 侧，AIRCR.BFHFNMINS=0，则 Fault Handler 可以从 SCB_S 的 CFSR.BFSR 和 BFAR 寄存器获取总线故障信息；而如果设置了 AIRCR.BFHFNMINS=1，那么发生 Bus error 的时候，非安全侧的 Fault Handler 可以直接从 SCB_NS 的 CFSR.BFSR 和 BFAR 寄存器获取故障信息。
. X+ y$ I6 U/ M8 k, I2 e& O
9 s3 o" u0 K5 uBusFault 默认没有单独使能，如果需要使能 BusFault，可以将 SHCSR 寄存器的BUSFAULTENA 位置位。使能或禁止 BusFault 的示例代码如下：
7 P- n1 K7 {0 p

1. void EnableBusFault(int enable)
   8 ]/ ]5 Z6 G. f! l
2. {
   
3. if( enable == 1)
   1 J0 n! Z3 U7 U6 b
4. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_BUSFAULTENA_Msk;
   
5. else
   3 Y7 o( c! z2 O* n2 e
6. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_BUSFAULTENA_Msk);
   
7. }

复制代码

, C; U0 X7 E# U+ M& Y这段代码对安全和非安全侧都是一样的，但是要注意，由于 BusFault 不是 Bank 的，当AIRCR.BFHFNMINS=0 时，这段代码只能在安全侧使用，也就是修改的是 S 安全侧 SCB SHCSR 的 BusFault，此时写 SCB_NS 的 SHCSR.BUSFAULTENA 位无效。

如果非安全侧应用使用这段代码使能 BusFault，那么前提是安全侧已经设置了AIRCR.BFHFNMINS=1。

1 ~9 h* U4 ^) x1.1.3. Usage Fault
UsageFault 与指令执行时候的错误有关，包括未定义的指令、非对齐访问、执行指令时的无效状态、中断返回时的错误、除 0 等。
( F4 D7 m/ U8 c
9 O3 C% d0 Y# P' e" J- x, o在 TrustZone 环境中，UsageFault 是 Bank 的，因此在 S 和 NS 状态可能产生各自的UsageFault，并且可能触发各自的 S UsageFault Handler 和 NS UsageFault Handler。UsageFault 默认不使能，因而缺省会上升到 HardFault，是否触发 S 还是 NS 的 HardFault Handler 还要取决于 AIRCR.BFHFNMINS 的值是 0 还是 1。
* G1 e) g, |4 }' ?3 |/ Z
4 Z5 o" P% |& P5 x使能UsageFault 需要分别设置 SCB_S 和 SCB_NS 的 SHCSR.USGFAULTENA。SCB_S的 SHCSR.USGFAULTENA=1 用于使能 S 安全侧的 Usage Fault；SCB_NS 的SHCSR.USGFAULTENA=1 用于使能 NS 非安全侧的 Usage Fault。
$ w! e, B: F: r1 j- X1 _. w2 Z
7 n3 ]/ M5 G9 M5 L& R另外，通常除 0 操作不会触发 UsageFault，如果希望除 0 操作触发 UsageFault，需要将SCB_S/NS 对应的 CCR.DIV_0_TRP 比特置 1。
% u% ^! R+ |- G9 M
图 3 总结了 Usage 错误触发 Fault Handler 的一般情况。

" k3 X" ^! |7 g
只要 SHCSR.USGFAULTENA=1，UsageFault 总是触发软件对应安全状态的 UsageFault Handler，否则上升到 HardFault，安全侧的 UsageFault 总是上升到 Secure HardFault。对于非安全侧的 UsageFault，如果 AIRCR.BFHFNMINS=0，则上升到 Secure HardFault，否则上升到 Non-Secure HardFault。
/ B# P/ v, s9 f
2 c' I  ]3 |. L; I+ |) K3 U使能或禁止 UsageFault 的示例代码如下：
) z/ }5 [+ }0 S

1. void EnableUsageFault(int enable)
   ' U) c/ V% l) a. y5 Z
2. {
   ( @6 V1 x/ ?; W' T
3. if( enable == 1)
   
4. {
   ) q7 i, K' U0 U. q: ~3 j
5. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk;
   0 F; Y+ w, V. n! v
6. /* Enable divide by 0 trap to trigger usage fault (if necessary) */
   % S: T2 M& @& D8 \/ b1 G8 n
7. SCB->CCR |= SCB_CCR_DIV_0_TRP_Msk;
   / R8 a( n. q, K5 v$ h
8. }
   ; x' i& a( g5 d1 a0 Q, R1 c
9. else
   . V* X, ~! t3 y6 k
10. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk);
    
11. }

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6 r' |  g$ O1 s1 n% \. s如果安全和非安全侧都需要使能 UsageFault，则 S、NS 代码可以分别调用这段代码使能各自的 UsageFault，或者 S 安全侧代码也可以直接控制 NS 非安全侧 UsageFault 的使能，例如可以在 S 安全侧增加下面这段代码来决定 NS 侧的 UsageFault 是否使能。

1. void EnableNSUsageFault(int enable)
   8 Z2 l4 H% b3 r3 V
2. {
   7 p3 v6 s, v* c4 o8 O
3. if( enable == 1)
   
4. SCB_NS->SHCSR |= SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk;
   
5. else
   
6. SCB_NS->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk);
   
7. }

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1.1.4. MemManage Fault
MemManage Fault 是由于 Memory 保护产生的故障异常，例如在取指令或进行数据访问时违反了 MPU region 定义的访问规则，或者违反了默认地址保护规则。

+ E1 d' L) U! V8 z# V* h8 fMemManageFault 与 UsageFault 类似，也是默认不使能，如果希望使能 S 或者 NS 侧的MemManageFault，需要相应将 SCB_S 或者 SCB_NS 的 SHCSR.MEMFAULTENA 比特置位。
. i2 ?# Z0 o( F% A
另外也与 UsageFault 类似，MemManageFault 在 S 和 NS 侧也是 Bank 的，也就是 S、NS 有各自的 MemManageFault。由于 MPU 单元本身是 Bank 的，系统中有两套 MPU 寄存器MPU_S 和 MPU_NS，因而代码在 S 和 NS 侧可以各自定义自己的 MPU region 并使用不同配置，也就是说即使对相同的地址，S/NS 两侧也可以通过各自的 MPU 单元定义不同的访问规则。MPU_S 配置的保护规则只应用于 S 安全侧代码，即控制 CPU 处于安全状态时候的访问，这与 CPU 访问的地址的在 SAU 中定义安全属性无关。而 MPU_NS 配置的保护规则只应用于NS 非安全侧代码，即 CPU 处于非安全状态时候的访问，二者互不影响。

6 ]. U6 g0 o" ?& w# w: u图 4 给出了 MemManage 故障触发 Fault Handler 的一般情况。如果 S 安全代码违反memory 访问规则，可能会触发安全侧的 MemManageFault，或者 Secure HardFault。非安全代码违反 memory 访问规则，可能会触发非安全侧的 MemManageFault，或者上升到HardFault，如果 AIRCR.BFHFNMINS=0 上升到 Secure HardFault，否则上升到 Non-Secure HardFault。

8 e' r. t- h" r8 E

2 p' q; m* b( ~* A0 I
% w! l4 D7 I7 N; \; Q$ b4 A使能或禁止 MemManage Fault 的示例代码如下：
( [* ]' ~" _: V5 N9 S" y! a

1. void EnableMemoryFault(int enable)
   
2. {
   - @8 f! S4 \* C% n
3. if( enable == 1)
   : u' S; R9 d% c- T, w2 Z0 L/ ^- s
4. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
   ! f/ E8 ^. h8 ^% t% F- g9 z
5. else
   / Z+ ~! P( Y1 T. ?. ?5 G
6. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk);
   , L% o4 M1 i" j5 f: S$ ?0 ^' A1 @5 L
7. }

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如果安全和非安全侧都需要使能 MemManage Fault，则 S、NS 应用可以分别调用这段代码使能各自的 MemManage Fault，或者 S 安全侧代码也可以直接使能 NS 非安全侧的MemManage Fault，例如可以在 S 安全侧增加下面这段代码来控制 NS 侧的 MemManageFault 使能。

1. void EnableNSMemoryFault (int enable)
   * N" `7 C8 m- m% h' |2 M5 h  J* M
2. {
   
3. if( enable == 1)
     a3 _) U! L% E: }7 A1 Q
4. SCB_NS->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
   5 Q. s. n, D+ ~: h
5. else
   3 B. [; Q# A4 f+ K  @( c4 }
6. SCB_NS->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk);
   
7. }

复制代码

* ?5 |, h) p3 K, z+ Q另外，如果代码使用 HAL API 使能 MPU，即调用 HAL_MPU_Enable()，那么MemManage Fault 在 MPU 使能的函数中会自动被使能，这时候无需额外调用前面提到的代码去单独使能 MemManage Fault。
: P. K1 u% g/ j, d, J
& N4 g" T+ U& W2 i7 t* ^1.1.5. Secure Fault
Secure Fault 只有在 TrustZone 使能的环境下才存在。SecureFault 可能由于内核中各种各样的安全检查而触发，例如从 NS 跳转至 S 代码时没有从 SG 入口指令进入，或者非安全代码试图访问 SAU/IDAU 规定的安全地址范围等。通常当出现 SecureFault 时，软件的处理可以是直接停止或者复位系统，这样做可以尽可能地避免引入安全漏洞。
6 u4 x* B+ o' T: Z: M
, R* o( A* t' `' G! a: pSecureFault 不是 Bank 的，总是 target 到 S 侧，因此只有安全代码能够处理SecureFault。SecureFault 缺省也没有使能，出现 Secure 错误时，默认触发 SecureHardFault。软件可以通过置位 SHCSR.SECUREFAULTENA 来单独使能 SecureFault，使能后Secure 错误将触发 SecureFault Handler。图 5 给出了 Secure 错误触发 Fault Handler 的一般情况。

, o3 c& H" B' T8 z3 }* M* H" o

& Z( C) f9 B  v, [% g
) V) m5 O$ q- K' ?0 t使能或禁止 SecureFault 的示例代码如下：

1. void EnableSecureFault(int enable)
   
2. {
   
3. if( enable == 1)
   
4. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_SECUREFAULTENA_Msk;
   
5. else
   1 _( A+ k- k4 L+ d6 o
6. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_SECUREFAULTENA_Msk);
   
7. }

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1.2. 故障升级与 HardFault
除了 HardFault 以外，其他故障类型都具有可配置的优先级。软件可以禁止某个可配优先级的故障异常，但是不能禁止 HardFault。故障异常的优先级和对应的 mask bit 决定了内核是否会进入某个故障的处理程序，以及某个故障是否可以抢占另一个故障。

2 c6 S2 E. n; _8 R& x某些情况下，可配置优先级的故障可能会被当成 HardFault 处理，也就是故障升级或称中断上访，此时，这个具体的 Fault 会升级为 HardFault 故障。
某个 Fault 升级成 HardFault 可能有多种原因，例如：
该故障 Fault 没有使能；

/ M! u! F% ~% s, [& L7 U3 ~% \例如，代码由于执行未定义的指令产生了 UsageFault，但是 UsageFault 没有被使能.
; O) E* W, H; F* W该故障的 FaultHandler 优先级不够高无法运行；
  e7 U0 n# r. f# P0 r& j
) z  _9 i5 f  v' h, n例如，系统配置并使能了 MPU，CPU 正在执行某个中断操作，该操作试图进行地址访问时违反了 MPU 定义的访问规则，进而触发了故障，但是当前执行的中断的优先级高于 MemManage 故障的优先级。
, R! H1 Q0 G* ~7 b8 k. f9 B在故障的 FaultHandler 中产生了同样的故障；
: w0 H( A4 {) `
  @7 K" D. b7 V- n7 O: N例如，在处理 UsageFault 的 handler 中又发生了未定义指令的情况。
如果在进入 BusFault Handler 的时候，压栈操作又导致了 BusFault，这种情况下 BusFault 不会升级到 HardFault。这意味着，如果损坏的堆栈导致故障，即使 Fault Handler 压栈失败，故障处理程序还是会执行，但堆栈内容已损坏。
只有 NMI 可以抢占 HardFault，HardFault 可以抢占任何除 Reset、NMI 或者另一个HardFault 以外的异常。当 BFHFNMINS=1 时，如果 NS 侧的 NMI Handler 产生了安全违规错误，那么它将触发 Secure HardFault，并被其抢占。
在获取异常向量的时候发生的 Bus 错误，总是升级到 HardFault，由 HardFault 处理，而非 BusFault。

1.3. Fault 异常的安全状态
! ^5 p4 O2 K. A- p在 TrustZone 使能的环境中，故障异常可能 target 到 S 安全状态或 NS 非安全状态，这会导致 ARMv8-M 内核的行为与以往 ARMv6-M 及 ARMv7-M 内核有很大不同，TrustZone 环境软件开发中对 Fault 的处理要特别注意到这一点。
关于 Fault 异常 target 到 S、NS 的情况在前文中介绍几个 Fault 类型的时候已经有提到，这里在表 2 中再稍加总结。
( Q  g( y4 r9 h
; E) }0 U- i% S: z

5 @3 l4 k7 I- N7 f8 |
& I9 d+ Z5 O: ?( @# `9 x7 G: P1.4. 异常的进入与返回
5 k, ~" e' M  `! M1 ]) ^1.4.1. 异常的进入与 stack frame
# z7 T6 E4 ^" ~当处理器处于线程模式且系统存在具有足够优先级的 pending 异常时则会进入异常，或者新异常的优先级高于正在处理的异常，这时候新异常将抢占原始异常，即出现异常嵌套。
当处理器发生异常时，除非该异常是尾链异常或延迟到达的异常，否则处理器会将上下文信息压入堆栈，压栈的数据结构即 stack frame。
4 H2 n! |7 \! @# o0 F: f/ {通常 stack frame 的内容如图 6 (a) 所示，包含了 R0 到 R3、R12、LR、PC 和 xPSR 的内容。在 TrustZone 使能的环境中，如果 S 安全代码执行被 NS 非安全异常抢占，那么进入非安全异常前会有更多的信息压栈，如图 6 (b)所示，并且硬件会自动将压栈的寄存器清零，防止任何安全状态下的数据暴露给非安全代码。
- E6 |+ n$ }7 w  C+ Y- B$ e, A如果使用了浮点功能，存在浮点上下文，那么内核也会自动将浮点相关的上下文内容压栈。由于浮点部分数据内容对我们通常的 Fault 调试没有太多帮助，这里不做赘述。
$ b8 D" T4 R0 c/ s6 j) Z/ Y$ ]- y进入异常前的 stack frame 压栈操作使用 MSP 还是 PSP，取决于当时内核的运行状态及其使用的堆栈。如果当时 CPU 运行于 Handler 模式，则使用 MSP 压栈 stack frame；如果 CPU运行于 Thread 模式，由当时的 CPU CONTROL.SPSEL 位来标记使用的堆栈。
; B9 Q3 Z5 j1 D0 T+ U7 g* A& m. w
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