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。
3 F' t  ]/ n" f6 V* W* G: S
一、CM33 TrustZone 架构下的异常模型
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。
  f0 I  f6 L/ O9 ]7 f9 g- {/ s9 U+ D

1.1. Fault 异常类型（带安全扩展）
: `3 E# v. I  W) z, h! o$ D7 _5 ^1.1.1. Hard Fault
& V& ?" w! ~2 h8 o& c* AHardFault 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。
# K$ h" R' \7 b# u' j3 F8 I1 Q; q

8 |5 h+ L% h, {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。

9 _) l! n6 Z/ x5 u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）：
& O) d9 ^7 g# @

1. void SECURE_SetNMIHFBFTarget(int NS)
   
2. {
   ' Z, C# N5 `( }8 h
3. uint32_t reg_value;
   
4. uint32_t target = (NS==1)?1:0;
   & o! r8 G- A8 _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 K8 \3 M8 |3 S0 A+ \- A' C" n/ T% f' J
9. /* insert write key and target bit */
   
10. reg_value = (reg_value |
    ( k( G. k/ k5 O/ I
11. ((uint32_t)0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |
    
12. (target << SCB_AIRCR_BFHFNMINS_Pos) );
    % o1 g8 b8 R# U# s& E
13. SCB->AIRCR = reg_value;
    9 {, Q% P, \# A" Z
14. }

复制代码

: c9 S. o8 r0 R. @, o" e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。
0 Z. E7 [0 H' w, n
. ^  d) c  U5 @3 K& G6 x
4 z1 C5 t% n1 j/ y2 ^* N2 \9 L1.1.2. Bus Fault
6 C, l  O/ L, w, RBus 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。
$ y& o& _/ n. y3 }
8 M/ q0 O/ u" g6 `- F) M4 K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。
1 I: s( X1 j6 D2 U
1 {/ l+ b, {/ i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）。
3 k* h) G8 \7 V: u" M

1 u1 f7 m& J% U* z; s" L
" h% G+ S6 I2 ]- s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。
) ^3 M9 `" U! N) Z" j/ w) V$ c0 Y
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。

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。

BusFault 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：

1. void EnableBusFault(int enable)
   4 B# `4 X( w: A
2. {
   7 A* \% K4 ?8 ?) U
3. if( enable == 1)
   2 L% r  b/ s0 Z" c
4. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_BUSFAULTENA_Msk;
   4 g8 |6 ^2 |0 v1 I+ k: E
5. else
   
6. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_BUSFAULTENA_Msk);
   ) N' [9 k* I, p! e0 ~
7. }

复制代码

' [, Y  A- P5 Q8 b8 p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。

# ?+ x( K  T' P+ x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。

2 |9 }3 U3 M  I. W& k4 ]3 `% a# w1.1.3. Usage Fault
, v% }8 a% Q. y; N1 d; }! ]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。

/ C) ?1 {' H8 w; O! `) c# h* x% V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。

% u, @* g$ _8 J2 \; N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。
& Z( M. N6 R1 l9 ?  g$ y% V# R( x, t. K8 b
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。
5 {( T: \3 _5 c
+ t" N2 u+ c' F图 3 总结了 Usage 错误触发 Fault Handler 的一般情况。

- y5 A7 `5 ^1 T( Z  C+ ^3 N
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。

- t$ k3 w- N( [) a" N, e& `7 c, Z使能或禁止 UsageFault 的示例代码如下：

1. void EnableUsageFault(int enable)
   
2. {
   ! {  c  ]% Q2 F! L6 |
3. if( enable == 1)
   
4. {
   
5. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk;
   $ P& Y; s3 C* b# W- y
6. /* Enable divide by 0 trap to trigger usage fault (if necessary) */
   
7. SCB->CCR |= SCB_CCR_DIV_0_TRP_Msk;
   . f, k/ T; X) e; f
8. }
   & k- v- J8 Q# |6 q
9. else
   
10. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk);
    
11. }

复制代码

* o  O  G0 |- l" w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 `% z- g0 X  i, E( s+ R7 G

1. void EnableNSUsageFault(int enable)
   
2. {
   7 ^% q3 `/ [4 L. |" h3 E
3. if( enable == 1)
   % B* H' Q" @. u# X
4. SCB_NS->SHCSR |= SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk;
   5 ~3 e  a% `( J" N$ R# x
5. else
   
6. SCB_NS->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk);
   / p4 b9 ~( a. r' d
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。

" b( W5 e' b& Q$ [0 P+ MMemManageFault 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。
; V9 T& D$ t6 ]) K4 ?
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。

2 J3 `7 {: c: B2 @: D' h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。

- U7 a" ]3 N, |) i  P2 d
7 x. C# O0 v" U8 b6 k3 N使能或禁止 MemManage Fault 的示例代码如下：

1. void EnableMemoryFault(int enable)
   
2. {
   
3. if( enable == 1)
   
4. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
   ) i3 A/ I2 @2 `4 h4 a/ a
5. else
   ; p$ U5 b0 ]  O) ^2 x
6. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk);
   ; G9 L8 t% V9 e5 T- e5 ?
7. }

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* @! O6 c6 H9 s& i1 t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)
     P/ o5 \7 g) ~
2. {
   
3. if( enable == 1)
   
4. SCB_NS->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
   ( s  [! R$ ]! K" n: E$ V, h
5. else
   
6. SCB_NS->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk);
   ; k! i4 e8 B* t# }  H, {
7. }

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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。

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。

. B; w" ?) X2 aSecureFault 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。
) {9 y* F3 z9 [# n5 j' K
! d9 Y; E# R7 {( `2 B

; _7 ~* H! t+ b: i
使能或禁止 SecureFault 的示例代码如下：

1. void EnableSecureFault(int enable)
   2 e4 A% l( T, }7 @3 [
2. {
   6 K: b7 ~1 {) }' L
3. if( enable == 1)
   6 g' U: B! y* H; J/ y/ V* o! `
4. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_SECUREFAULTENA_Msk;
   
5. else
   
6. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_SECUREFAULTENA_Msk);
   + p$ r) f# [6 Q& S. _2 P! K9 I
7. }

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" l$ Y) l! v* }$ E1.2. 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。
# U* P4 @6 S0 j. g- W, D9 V
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。
8 G7 u& v  N/ C7 Z/ h6 V  X某个 Fault 升级成 HardFault 可能有多种原因，例如：
该故障 Fault 没有使能；
! k; s5 ?8 \8 X1 `
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.
该故障的 FaultHandler 优先级不够高无法运行；
! W0 n  d6 b& w! u/ I+ l: e9 z5 S+ `
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。
% i5 `5 A) P0 R" H* Z1 p在故障的 FaultHandler 中产生了同样的故障；
" h. S% y; r  l0 _5 n
例如，在处理 UsageFault 的 handler 中又发生了未定义指令的情况。
$ M( ]( @8 i2 ~6 `" A9 v' o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。
" g9 I$ ]* E+ w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。
0 Z2 G0 T1 W& X
$ L, h, S: i. ^- C1.3. Fault 异常的安全状态
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。
% q, A3 J9 P" d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。

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1.4. 异常的进入与返回
# J9 v  w. Z5 G& c# h( G1.4.1. 异常的进入与 stack frame
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。
5 ^6 q" y& Q- ?6 F& m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。
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。
4 `/ W6 }9 ~3 k3 b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。
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