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 _% u* _/ d4 O2 E  U+ r: D
7 H( a4 V4 e* e1 [9 n) d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。

. t7 e% l# [# p  a

6 t5 L- K2 @2 H# T+ w  P
* k  z4 d9 L. [7 P$ ^% f6 t7 G1.1. Fault 异常类型（带安全扩展）
( T2 p# ]/ E2 U; [0 K* r1.1.1. Hard Fault
4 E* T' J( b% T7 F/ S) n) 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。
9 L% y! L. r8 d
4 x5 z/ }4 R$ P# l, m: L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。


2 n3 \* u$ @' ?) X8 I

. `8 B' I( ~! @! s8 r5 a
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。

# `! Z1 q) N: H3 G9 H. M9 E# b6 l! S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）：

1. void SECURE_SetNMIHFBFTarget(int NS)
   $ }0 ?* V0 D$ t! W# Y7 o
2. {
   
3. uint32_t reg_value;
   
4. uint32_t target = (NS==1)?1:0;
   6 k; _2 J% B+ ]$ E
5. /* read old register configuration */
   * E, F) c/ i' f2 U! u" R
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 */
   4 P7 W/ W% T# s$ x& L/ U3 U
10. reg_value = (reg_value |
    ' C5 ]: g/ Y3 }& G7 w& ~. M
11. ((uint32_t)0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |
    
12. (target << SCB_AIRCR_BFHFNMINS_Pos) );
    
13. SCB->AIRCR = reg_value;
    5 s9 p1 k$ U  F8 [4 x2 J
14. }

复制代码

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 Q) z( A' M8 q$ Z8 B$ p7 g

  G3 K4 i9 P: N8 S- Q  a3 l1.1.2. Bus Fault
Bus 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。

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。

9 }; J+ q/ @4 j2 {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）。
  j" w9 p) R8 f6 F8 m
2 D1 s" |5 k! M5 {9 Z- j

4 x0 h+ }  W: c+ o( _5 X
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。
) K2 d8 h( H+ W9 ], u
5 |  X" \8 w6 K) M" v# T. j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。
) p4 ?  P" j, D& p
1 s+ u) C  l3 |- D% r/ K/ U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。
/ ~2 r' ]8 n; W
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：
, @' e0 C7 S4 n  Z1 i6 \# a" k% |

1. void EnableBusFault(int enable)
   
2. {
   ; V$ M* N0 c: }' ~2 t0 r+ v
3. if( enable == 1)
   / ]7 Q% J. e( m0 E; t; {
4. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_BUSFAULTENA_Msk;
   
5. else
   
6. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_BUSFAULTENA_Msk);
   
7. }

复制代码

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。

9 y5 @* ^3 M" i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。
8 P' _" o6 A! V0 @5 }
% e' j8 x6 a8 I: o1.1.3. 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。

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。
& U6 [5 q; r7 ]8 F2 E
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。

2 o: y: S, B$ D  S' ?% y- K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。
+ J% T% i8 d. T& h6 t
图 3 总结了 Usage 错误触发 Fault Handler 的一般情况。
: I0 h* C, f& J" K! ?7 v9 t
/ P7 w6 B( L8 E$ M  D: [7 J

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。

使能或禁止 UsageFault 的示例代码如下：
' u* J0 W% f; s7 Q0 _) G0 ^

1. void EnableUsageFault(int enable)
   
2. {
   
3. if( enable == 1)
   ( A: f" C  H; C+ z3 A1 |
4. {
   
5. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk;
   $ R) [; F2 `$ p3 ]. c" e8 A
6. /* Enable divide by 0 trap to trigger usage fault (if necessary) */
   2 T& l" {+ b6 o) G% T
7. SCB->CCR |= SCB_CCR_DIV_0_TRP_Msk;
   
8. }
   
9. else
   2 A% V6 a% e. _8 w
10. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk);
    6 {# g: ~: t# E# S3 D
11. }

复制代码

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。
6 e; _" U  y8 K! d" {

1. void EnableNSUsageFault(int enable)
   
2. {
   
3. if( enable == 1)
   ) W0 ^: e6 p4 [0 }) F: u$ q
4. SCB_NS->SHCSR |= SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk;
   7 [$ m0 \5 ^- C- z% d
5. else
   
6. SCB_NS->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk);
   : Y* I# S/ D# g
7. }

复制代码

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。

MemManageFault 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。
& p& C9 I" |5 j' e: n  j
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。

8 i6 ~, r2 o7 j6 u  l( f! L6 o0 V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。

. x6 h' y! ~0 b) m4 L% W9 O

; z* c6 W6 y4 R% n6 f% E
: n# X" ~! d& t# F, y. c$ n# c" x使能或禁止 MemManage Fault 的示例代码如下：

1. void EnableMemoryFault(int enable)
   : ]5 m. C4 I. [2 T9 _7 L
2. {
   ) |. W* w& Y# y& z1 q
3. if( enable == 1)
   
4. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
   7 O8 ~$ u4 h, x
5. else
   ; I$ s: @4 g. K( ]
6. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk);
   
7. }

复制代码

/ x1 ?2 ]" E% C3 M* _' f( e# z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)
   
2. {
     m3 o* s" a3 g2 M; F: h
3. if( enable == 1)
   ) j( x/ a; U& u; x# k
4. SCB_NS->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
   
5. else
   
6. SCB_NS->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk);
   
7. }

复制代码

5 Y' ?5 x7 |" k9 ?/ J' y  K/ F, 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。

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。

. `( [9 M- L! }1 x( ?0 i: {SecureFault 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 O' O' l2 W! H# r) n6 ?
4 L- l6 t9 m9 c% J

) \. Q6 `4 q0 y  O8 p/ ]. w3 ?$ }; n
) X# l8 T2 X& w8 M使能或禁止 SecureFault 的示例代码如下：

1. void EnableSecureFault(int enable)
   & A( C* G8 l2 y! r% x8 z+ P
2. {
   
3. if( enable == 1)
   ; B: e7 Q8 O  B- C6 }
4. SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_SECUREFAULTENA_Msk;
   
5. else
   
6. SCB->SHCSR &= (~SCB_SHCSR_SECUREFAULTENA_Msk);
   
7. }

复制代码

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。
+ m7 ?' G6 W* K+ ^+ ^' 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；
) d5 e' S% u! j4 {
0 g1 C+ w: G( V& D% `2 `0 \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.
' K6 E& b4 j& M" c5 \; Y0 S& F4 }该故障的 FaultHandler 优先级不够高无法运行；
  d% }- p3 \, e: }7 N
$ O9 \/ u2 q/ Z  {- `/ L" P( c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。
在故障的 FaultHandler 中产生了同样的故障；
4 `5 N( C. X- u' D
例如，在处理 UsageFault 的 handler 中又发生了未定义指令的情况。
$ j' a# `# Q! r8 H9 i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。
" i) E- i. L: e: ^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。
3 I: F4 l/ W6 j7 F- L# |, ~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
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。

7 A. f+ J) Z9 U+ d! w

1.4. 异常的进入与返回
1.4.1. 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。
% A& d4 c2 Y, `5 p# P1 w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。
" [( V) \4 i% O/ ~# 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。
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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