1.概述

客戶(hù)在使用 STM32G070 的時(shí)候，KEIL MDK 為編譯工具，當(dāng)編譯優(yōu)化選項(xiàng)設(shè)置為L(zhǎng)evel0 的時(shí)候，程序會(huì)出現(xiàn) Hard Fault 異常，而當(dāng)編譯優(yōu)化選項(xiàng)設(shè)置為 Level1 的時(shí)候，則程序運(yùn)行正常。

表面上看，這似乎是 KEIL MDK 的問(wèn)題，通過(guò)分析，導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)原因是內(nèi)存地址沒(méi)有對(duì)齊引起的，下面章節(jié)將詳細(xì)分析該問(wèn)題的來(lái)龍去脈以及解決方法。

2.問(wèn)題描述與分析

根據(jù)客戶(hù)的反饋，引起問(wèn)題的代碼很簡(jiǎn)單，客戶(hù)定義了幾個(gè)全局?jǐn)?shù)組，在主程序中訪(fǎng)問(wèn)這幾個(gè)數(shù)組就會(huì)出現(xiàn) Hard Fault 異常，參考代碼如下。

把客戶(hù)提供的代碼片段移植到 NUCLEO-G070RB 開(kāi)發(fā)板上，問(wèn)題很容易就復(fù)現(xiàn)了，代碼本身功能簡(jiǎn)單，寫(xiě)法上也沒(méi)有錯(cuò)誤，所以從代碼片段本身上看，無(wú)法確定問(wèn)題出在哪里，通過(guò) KEIL 調(diào)試器，在匯編窗口單步調(diào)試下，最終發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致 HardFault 異常的語(yǔ)句為下圖所示語(yǔ)句。

根據(jù)單步調(diào)試得知出現(xiàn)問(wèn)題的語(yǔ)句為 LDR 指令，參考 Cortex M0 編程手冊(cè) PM0223 得知 LDR 指令的作用是從內(nèi)存地址中加載一個(gè) WORD 數(shù)據(jù)到目的寄存器 Rt 中，其中內(nèi)存地址根據(jù) Rn 或者 SP 寄存器的值以及立即數(shù) imm 得到。

根據(jù)指令的描述，使用 LDR 指令的時(shí)候，通過(guò) Rn 和 imm 計(jì)算得到的內(nèi)存地址必須是讀取字節(jié)數(shù)的倍數(shù)，LDR 每次讀取一個(gè) WORD，所以使用 LDR 指令時(shí)，內(nèi)存地址必須 4字節(jié)對(duì)齊。如果地址沒(méi)有對(duì)齊，則會(huì)導(dǎo)致 HardFault 異常。

結(jié)合 LDR 指令的描述，在調(diào)試狀態(tài)下，通過(guò)查看寄存器值，圖 2 出錯(cuò)語(yǔ)句中根據(jù) Rn和 imm 計(jì)算得到的內(nèi)存地址為 R0=0x2000000B,imm=4 所以?xún)?nèi)存地址為 0x2000000F,很顯然這個(gè)地址不是 4 字節(jié)對(duì)齊的。

而當(dāng)我們改變編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 Level1 時(shí)，得到的內(nèi)存地址為R0=0x20000000,imm=0x04 顯然這個(gè)地址是按照 4 字節(jié)對(duì)齊的，所以這種情況下是不會(huì)出現(xiàn) HardFault 異常的，印證了客戶(hù)的問(wèn)題現(xiàn)象。

3.問(wèn)題解決

通過(guò)上一節(jié)的分析，明確了導(dǎo)致該問(wèn)題的本質(zhì)原因是內(nèi)存地址沒(méi)有對(duì)齊，這個(gè)內(nèi)存地址實(shí)際上是代碼中定義的全局變量 g_curPlaySound_app 指向的地址，也就是全局?jǐn)?shù)組變量 SoundFile 的地址，在編譯器不同的優(yōu)化選項(xiàng)下，分配給 SoundFile 變量的地址是不一樣的，在本案例中，編譯優(yōu)化選項(xiàng) Level0 條件下，SoundFile 分配的地址沒(méi)有按照WORD 對(duì)齊，而在優(yōu)化選項(xiàng) Level1 條件下，SoundFile 分配的地址是 WORD 對(duì)齊，所以在兩種優(yōu)化選項(xiàng)下，出現(xiàn)了不一樣的運(yùn)行結(jié)果。

所以要保證程序不出錯(cuò)，當(dāng)通過(guò)指針訪(fǎng)問(wèn)變量的時(shí)候，要確保指針指向的地址是 4 字節(jié)對(duì)齊的，在 Keil 環(huán)境下，可以通過(guò)__attribute__((aligned (4))) 關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)，如下圖所示，通過(guò)該關(guān)鍵字，對(duì)齊了地址，也就不會(huì)出現(xiàn) HardFault 異常了。

圖6 確保地址對(duì)齊

4.總結(jié)

地址未對(duì)齊是嵌入式系統(tǒng)中容易忽視的一個(gè)細(xì)節(jié)，忽視這點(diǎn)往往會(huì)導(dǎo)致一些奇怪的問(wèn)題，所以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，注意這些細(xì)節(jié)還是很有必要的。

來(lái)源：STM32單片機(jī)

審核編輯：湯梓紅