HC32F460 USB CDC通信异常：非对齐访问异常排查

一个项目中用到了HC32F460的官方USB库，使用官方的CDC例程时发现收发数据时可能会进入HardFault中断，通过在线调试可以发现异常原因为"用法错误，非对齐访问"。

故障仅发生在开启编译优化时，且和编译器有关，在我使用的Keil版本中，如果切换编译器版本为ARMCC v6.16则无法复现问题。没有测试其他编译器版本。

环境

芯片平台：HC32F460
测试程序：HC32F460_DDL_Rev3.3.0\projects\ev_hc32f460_lqfp100_v2\applications\usb\usb_dev_cdc
编译器版本：ARMCC v5.06
编译选项：-c99 -O3，在编译优化配置为O0时无法复现问题。
复现条件：官方CDC例程是将虚拟串口的操作映射到一个实体串口外设上，实现一个USB-USART的透传效果。通过USB连接并打开虚拟串口，实体串口外设收到数据时会通过USB发送到主机端，此时大概率会触发异常。

分析过程

在可以在线调试的环境中，我们可以直接查看调用堆栈确认异常出现的具体位置。首先通过Keil自带的"Call Stack + Locals"窗口，我们可以看到进入异常中断前程序正在执行usb_wrpkt函数。

更进一步，通过查看具体的堆栈信息我们可以确定触发异常的具体汇编命令。

首先查看当前SP指针指向的堆栈栈顶地址，然后可以通过在线调试直接读取对应RAM地址，观察进入异常前一M4内核自动压栈的栈帧。通过其中的PC寄存器我们可以定位到具体发生异常的代码。

通过上述步骤可以确定异常发生在一个LDM汇编指令上：

出错的这行汇编代码执行两件事，加载寄存器r1指向的32位数据到r4寄存器，然后将寄存器r1的值增加4。

此时对照源码，可以确定引发异常的代码是WRITE_REG32(*fifo, *pu32Src++)，源码：

c 复制代码

void usb_wrpkt(LL_USB_TypeDef *USBx, const uint8_t *pu8src, uint8_t ch_ep_num, uint16_t len, uint8_t u8DmaEn)
{
    __IO uint32_t *fifo;
    uint32_t u32Count32b;
    uint32_t u32Tmp;
    uint32_t *pu32Src = (uint32_t *)(uint32_t)pu8src;
    if (u8DmaEn == 0U) {
        u32Count32b = (len + 3UL);
        u32Count32b = u32Count32b >> 2U;
        fifo = USBx->DFIFO[ch_ep_num];
        u32Tmp = 0UL;
        while (u32Tmp < u32Count32b) {
          WRITE_REG32(*fifo, *pu32Src++);
            u32Tmp++;
        }
    }
}

从源码不难看出，该函数对传入的地址pu8Src做了强制类型转换，直接通过32位宽度去访问数据，当传入的地址不是对齐地址时，这行语句必然会触发非对齐访问。

但是Cortex-M4内核支持内存非对齐访问，为什么这里会触发异常呢？为什么调整编译优化可以规避问题呢？

带着问题查阅资料可以发现，Cortex-M4内核的内存非对齐访问仅支持单地址操作（LDR，LDRH，STR，STRH），不支持多地址（LDM，STM等）。

与此同时，不开启编译优化时问题代码对应的汇编代码是通过LDR实现，在M4内核上可以正确执行非对齐访问。这一情况解释了为什么关闭编译优化后无法复现问题。

如何解决？

源码中使用强制类型转换的引诱编译器对该处进行优化，使用更高效的LDM命令而不是LDR+ADD来实现数据加载和递增，最终引发悲剧。要根治问题，可以选择放弃一点性能换取鲁棒性，逐字节从pu8Src指向的内存中读取数据。例如：

c 复制代码

while (u32Tmp < u32Count32b) {
    uint32_t dataTemp = (*pu8Src) | (*(pu8Src + 1)) << 8 | (*(pu8Src + 2)) << 16 | (*(pu8Src + 3)) << 24;
    WRITE_REG32(*fifo, dataTemp);
    u32Tmp++;
    pu8Src += 4;
}

参考资料

$1$ ARM Ltd. "Arm Cortex-M4 Processor Technical Reference Manual".

$2$ Joseph Yiu. "The Definitive Guide to ARM Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors". 3rd Edition

$3$ Ryy. "ARM Cortex-M3/M4的异常/中断处理流程" https://www.renyunyang.cn/archives/arm01.html