Cortex-M MemManage Fault：SHCSR CFSR 与 MMFAR

1. 什么是 MemManage Fault？

SCB寄存器分配图

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Cortex-M3/M4 提供三类可配置 Fault：

MemManage Fault → 异常 #4
BusFault        → 异常 #5
UsageFault      → 异常 #6

需要通过 SHCSR 单独使能。

SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;

如果没有使能，相关错误通常会升级为 HardFault。

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2. CFSR 与 MMFAR

CFSR 用来判断 Fault 原因：

image-20260930122705338

31              16 15       8 7       0
┌─────────────────┬──────────┬─────────┐
│     UFSR        │  BFSR    │  MMFSR  │
└─────────────────┴──────────┴─────────┘

MemManage 主要看 MMFSR：

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IACCVIOL  → 非法取指
DACCVIOL  → 非法数据访问
MUNSTKERR → 异常返回出栈错误
MSTKERR   → 异常进入压栈错误

如果：

MMARVALID = 1

那么 MMFAR 中保存的故障地址才有效。

所以：

CFSR / MMFSR → 什么错误
MMFAR        → 哪个地址
异常栈 PC    → 异常现场

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3. 完整异常处理代码

异常栈帧

异常进入时，硬件自动保存：

typedef struct
{
    uint32_t r0;
    uint32_t r1;
    uint32_t r2;
    uint32_t r3;
    uint32_t r12;
    uint32_t lr;
    uint32_t pc;
    uint32_t xpsr;
} stack_frame_t;

C 处理函数

static void fault_show_regs(stack_frame_t *frame)
{
    printf("Registers:\n");
    printf("R0   = 0x%08lx\n", frame->r0);
    printf("R1   = 0x%08lx\n", frame->r1);
    printf("R2   = 0x%08lx\n", frame->r2);
    printf("R3   = 0x%08lx\n", frame->r3);
    printf("R12  = 0x%08lx\n", frame->r12);
    printf("LR   = 0x%08lx\n", frame->lr);
    printf("PC   = 0x%08lx\n", frame->pc);
    printf("xPSR = 0x%08lx\n", frame->xpsr);
}

void MemManage_C_Handler(stack_frame_t *frame)
{
    uint32_t cfsr = SCB->CFSR;
    uint32_t mmfsr = cfsr & SCB_CFSR_MEMFAULTSR_Msk;

    printf("\nMemManage Fault!\n");

    if (mmfsr & SCB_CFSR_IACCVIOL_Msk)
        printf("Instruction access violation\n");

    if (mmfsr & SCB_CFSR_DACCVIOL_Msk)
        printf("Data access violation\n");

    if (mmfsr & SCB_CFSR_MSTKERR_Msk)
        printf("Exception entry stacking error\n");

    if (mmfsr & SCB_CFSR_MUNSTKERR_Msk)
        printf("Exception return unstacking error\n");

    if (mmfsr & SCB_CFSR_MMARVALID_Msk)
        printf("Fault address = 0x%08lx\n", SCB->MMFAR);
    else
        printf("Fault address is invalid\n");

    fault_show_regs(frame);

    while (1);
}

Handler

异常进入后，先判断异常现场使用 MSP 还是 PSP：

__attribute__((naked))
void MemManage_Handler(void)
{
    __asm volatile(
        "TST   LR, #4       \n"
        "ITE   EQ           \n"
        "MRSEQ R0, MSP      \n"
        "MRSNE R0, PSP      \n"
        "B     MemManage_C_Handler\n"
    );
}

这里：

LR bit2 = 0 → 异常现场在 MSP
LR bit2 = 1 → 异常现场在 PSP

然后把栈地址作为第一个参数传给 C 函数。

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4. 测试

先使能 MemManage：

SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;

然后执行一个禁止执行区域的地址：

((void (*)(void))0xF0000000)();

如果该区域不可执行，就可能产生：

MemManage Fault
      ↓
IACCVIOL
      ↓
MemManage_Handler
      ↓
读取 CFSR / MMFAR
      ↓
解析异常栈
      ↓
得到 PC / LR / xPSR

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5. 最终形成完整故障定位链

Fault发生
   ↓
SHCSR使能对应Fault
   ↓
进入MemManage_Handler
   ↓
根据EXC_RETURN选择MSP/PSP
   ↓
取得异常栈
   ↓
CFSR → 判断错误类型
MMFAR → 判断故障地址
PC    → 分析异常现场
LR    → 分析调用关系

核心记忆：

CFSR 看“为什么错”，MMFAR 看“哪个地址”，异常栈看“当时 CPU 在干什么”。