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stm32 HardFault_Handler調(diào)試及問題查找方法

  [復(fù)制鏈接]
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樓主
ID:91350 發(fā)表于 2015-10-29 17:16 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
本帖最后由 piaolin 于 2015-10-29 17:20 編輯

  STM32出現(xiàn)HardFault_Handler故障的原因主要有兩個方面：

1、內(nèi)存溢出或者訪問越界。這個需要自己寫程序的時候規(guī)范代碼，遇到了需要慢慢排查。

2、堆棧溢出。增加堆棧的大小。

出現(xiàn)問題時排查的方法：

發(fā)生異常之后可首先查看LR寄存器中的值，確定當(dāng)前使用堆棧為MSP或PSP，然后找到相應(yīng)堆棧的指針，并在內(nèi)存中查看相應(yīng)堆棧里的內(nèi)容。由于異常發(fā)生時，內(nèi)核將R0~R3、R12、Returnaddress、PSR、LR寄存器依次入棧，其中Return address即為發(fā)生異常前PC將要執(zhí)行的下一條指令地址。

注意：寄存器均是32位，且STM32是小端模式。(參考Cortex-M3權(quán)威)

編寫問題代碼如下：

  1. void StackFlow(void)

  3. {

  5. int a[3],i;

  7. for(i=0; i<10000; i++)

  9. {

  11. a[i]=1;

  13. }

  15. }

  17. void SystemInit(void)

  19. {





  25. RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;



  29. RCC->CFGR = 0x00000000;



  33. RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;



  37. RCC->PLLCFGR = 0x24003010;

  39. StackFlow();



  43. RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;

  45. 。。。。。。。。。。。。。。

  47. }
復(fù)制代碼


DEBUG如下圖

SP值為0x20008560，查看堆棧里面的值依次為R0~R3、R12、Return address、PSR、LR， 例如R0(1027 00 00), 顯然堆棧后第21個字節(jié)到24字節(jié)即為Returnaddress，該地址0x08001FFD即為異常前PC將要執(zhí)行的下一條指令地址(即StackFlow()后面的語句處RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF)

另一種方法：

默認(rèn)的HardFault_Handler處理方法不是B .這樣的死循環(huán)么?樓主將它改成BXLR直接返回的形式。然后在這條語句打個斷點(diǎn)，一旦在斷點(diǎn)中停下來，說明出錯了，然后再返回，就可以返回到出錯的位置的下一條語句那兒


      Cortex-M3/4的Fault異常是由于非法的存儲器訪問（比如訪問0地址、寫只讀存儲位置等）和非法的程序行為（比如除以0等）等造成的。常見的4種異常及產(chǎn)生異常的情況如下：


BusFault：在fetch指令、數(shù)據(jù)讀寫、fetch中斷向量或中斷時存儲恢復(fù)寄存器棧情況下，檢測到內(nèi)存訪問錯誤則產(chǎn)生BusFault。
Memory ManagementFault：訪問了內(nèi)存管理單元（MPU）定義的不合法的內(nèi)存區(qū)域，比如向只讀區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù)。
UsageFault：檢測到未定義指令或在存取內(nèi)存時有未對齊。還可以通過軟件配置是否檢測到除0和其它未對齊內(nèi)存訪問也產(chǎn)生該異常，默認(rèn)關(guān)閉，需要在工程初始化時配置：

[cpp] viewplaincopyprint?


  • SCB->CCR |= 0x18; // enable div-by-0 and unaligned fault  


HardFault：在調(diào)試程序過程中，這種異常最常見。上面三種異常發(fā)生任何一種異常都會引起HardFault，在上面的三種異常未使能的情況下，默認(rèn)發(fā)生異常時進(jìn)入HardFault中斷服務(wù)程序。使能前三種異常也要在初始化時配置：

[cpp] viewplaincopyprint?


  • SCB->SHCSR |= 0x00007000;   // enable Usage Fault, Bus Fault, and MMU Fault  



在默認(rèn)復(fù)位初始化時，HardFault使能，其它三者不使能，因此當(dāng)程序中出現(xiàn)不合法內(nèi)存訪問（一般是指針錯誤引起）或非法的程序行為（一般就是數(shù)學(xué)里面常見的除0）時都將產(chǎn)生HardFault中斷。

[url=]2 HardFault調(diào)試方法[/url]假設(shè)IDE環(huán)境為Keil，芯片為STM32F103。
在stm32f10x_it.c中，添加軟件斷點(diǎn)，一旦調(diào)試時出現(xiàn)Hard Fault則會在停在__breakpoint(0)處。




  •   
  • void HardFault_Handler(void)  
  • {  
  •    
  •   if (CoreDebug->DHCSR & 1) {  //check C_DEBUGEN == 1 -> Debugger Connected  
  •       __breakpoint(0);  // halt program execution here         
  •   }  
  •   while (1)  
  •   {  
  •   }  
  • }  



當(dāng)進(jìn)入HardFault斷點(diǎn)后，菜單欄Peripherals >Core Peripherals >FaultReports打開異常發(fā)生的報(bào)告，查看發(fā)生異常的原因。
  

上面的報(bào)告發(fā)生了BUS FAULT，并將Fault的中斷服務(wù)轉(zhuǎn)向Hard Fault。


相對于檢測發(fā)生了什么異常，定位異常發(fā)生位置顯得更重要。
（1）打開Call Stack窗口（如下圖左側(cè)，斷點(diǎn)停在Hard Fault服務(wù)程序中）


（2）在Call Stack的HardFault_Handler上右鍵Show CallerCode（有的Keil版本也可以直接雙擊）


這時將跳轉(zhuǎn)到發(fā)生異常的源代碼位置（如上圖），異常發(fā)生在p->hour=0這一行。這里錯誤很明顯：指針p尚未為成員變量分配內(nèi)存空間，直接訪問未分配的內(nèi)粗空間肯定出錯。

再說明2點(diǎn)：
[1] 在復(fù)雜的情況下，即使定位了異常發(fā)生位置也很難容易的改正錯誤，要學(xué)會使用Watch窗口對發(fā)生錯誤的指針變量進(jìn)行跟蹤；
[2]在問題不明晰的情況下，嘗試分析反匯編代碼，就自己遇到的，部分情況下的異常發(fā)生在BL等跳轉(zhuǎn)指令處，BL跳轉(zhuǎn)到了不合法的內(nèi)存地址產(chǎn)生異常

Refrences：
[1] Application Note209. Using Cortex-M3 and Cortex-M4 FaultExceptions.


[2] Cortex-M3權(quán)威指南





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ID:91350 發(fā)表于 2015-10-29 17:21 | 只看該作者
看到有朋友遇到Hard Fault 異常錯誤，特地找到一篇飛思卡爾工程師寫的一片經(jīng)驗(yàn)帖，定位Hard Fault 異常。

Kinetis MCU 采用 Cortex-M4 的內(nèi)核，該內(nèi)核的 Fault 異常可以捕獲非法的內(nèi)存訪問和非法的編程行為。Fault異常能夠檢測到以下幾類非法行為：
·        總線 Fault:  在取址、數(shù)據(jù)讀/寫、取中斷變量、進(jìn)入/退出中斷時寄存器堆棧操作（入棧/出棧）時檢測到內(nèi)存訪問錯誤。
·        存儲器管理 Fault: 檢測到內(nèi)存訪問違反了內(nèi)存保護(hù)單元（MPU, MemoryProtection Unit）定義的區(qū)域。
·        用法 Fault:  檢測到未定義的指令異常，未對其的多重加載/存儲內(nèi)存訪問。如果使能相應(yīng)控制位，還可以檢測出除數(shù)為零以及其他未對齊的內(nèi)存訪問。

·        硬 Fault:  如果上述的總線 Fault、存儲器管理 Fault、用法 Fault 的處理程序不能被執(zhí)行（例如禁能了總線 Fault、存儲器管理Fault、用法Fault 的異常或者在這些異常處理程序中又出現(xiàn)了新的Fault）則觸發(fā)硬Fault。
       在 MQX 操作系統(tǒng)啟動的時候會安裝上默認(rèn)的異常中斷處理函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)異常時會產(chǎn)生一個“unexpected”中斷，內(nèi)核就會自動調(diào)用異常處理函數(shù)，同時也將運(yùn)行用戶自定義的處理函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)特殊故障的定位方法。
       默認(rèn)情況下，MQX把出現(xiàn)異常的任務(wù)掛起，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。通過TAD 任務(wù)感知調(diào)試插件的Task summary 功能，我們可以觀察到出現(xiàn)異常的任務(wù)情況。
開發(fā)人員在調(diào)試期間，需要弄清楚系統(tǒng)異常觸發(fā)了哪類Fault，由什么原因觸發(fā)了Fault 以及定位觸發(fā)Fault 的代碼。在這種情況下，可以利用自定義的Fault 中斷處理程序來分析
Fault 出錯原因。
     為了解釋所述的 Fault 中斷處理程序的原理，這里重述一下當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生異常時 MCU 的處理過程:
·        有一個壓棧的過程，若產(chǎn)生異常時使用 PSP（進(jìn)程棧指針），就壓入到 PSP 中，若產(chǎn)生異常時使用MSP（主棧指針），就壓入MSP 中。
·        會根據(jù)處理器的模式和使用的堆棧，設(shè)置 LR 的值（當(dāng)然設(shè)置完的LR 的值再壓棧）。
·        異常保存，硬件自動把 8 個寄存器的值壓入堆棧（8 個寄存器依次為 xPSR、PC、LR、R12以及 R3~R0）。如果異常發(fā)生時，當(dāng)前的代碼正在使用PSP，則上面8 個寄存器壓入PSP; 否則就壓入MSP。
       當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生異常時，我們需要兩個關(guān)鍵寄存器值，一個是 PC ，一個是 LR （鏈接寄存器），通過 LR找到相應(yīng)的堆棧，再通過堆棧找到觸發(fā)異常的PC 值。將產(chǎn)生異常時壓入棧的 PC 值取出，并與反匯編的代碼對比就能得到哪條指令產(chǎn)生了異常。
        這里解釋一下關(guān)于 LR 寄存器的工作原理。如上所述，當(dāng) Cortex-M4 處理器接受了一個異常后，寄存器組中的一些寄存器值會被自動壓入當(dāng)前棧空間里，這其中就包括鏈接寄存器（LR ）。這時的 LR 會被更新為異常返回時需要使用的特殊值（EXC_RETURN）。關(guān)于
EXC_RETURN 的定義如下，其為 32 位數(shù)值，高 28 位置 1，第 0 位到第三位則提供了異常返回機(jī)制所需的信息，如下表所示。可見其中第 2 位標(biāo)示著進(jìn)入異常前使用的棧是 MSP還是PSP。在異常處理過程結(jié)束時，MCU 需要根據(jù)該值來分配 SP 的值。這也是本方法中用來判斷所使用堆棧的原理，其實(shí)現(xiàn)方法可以從后面_init_hardfault_isr 中看到。
   另外，我們可以利用 MQX 的控制臺串口輸出Fault 異常信息來幫助調(diào)試。編寫Fault 處理程序時，將啟動代碼中默認(rèn)的Fault 處理程序跟換成自己需要的Fault 處理程序。需要注意的是，由于是在中斷中進(jìn)行打印輸出，MQX的控制臺串口只能使用POLL 輪詢模式的驅(qū)動，不能使用中斷模式的驅(qū)動。
     用戶可以編寫自定義的硬 Fault 處理程序_int_hardfault_isr，修改 MQX 的中斷向量定義vector.c，把里面的DEFAULT_VECTOR 代碼段換成下面的代碼。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)硬Fault 異常時，將會調(diào)用自定義的Fault 處理_int_hardfault_isr函數(shù)。在這個函數(shù)，我們可以通過StackTrace-back 回溯出現(xiàn)問題的代碼。
我們可以在_int_hardfault_isr 函數(shù)里將出現(xiàn)異常時的寄存器、堆棧、狀態(tài)寄存器等信息打印出來。如果系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，一般情況都會通過串口控制臺打印出LR，PC的值。然后根據(jù)編譯器生成的map 文件，找到出現(xiàn)問題的具體函數(shù)。
     從上圖的串口輸出我們可以看到 PC 和 LR 寄存器值，PC 的值為 0x56c6，我們根據(jù)匯編代碼可以找到出現(xiàn)問題的指令。從而大大縮小了查找出現(xiàn)問題的范圍，可以幫助開發(fā)人員快速定位問題的根本原因。

附錄Fault異常中斷處理代碼：
  1. // hard fault handler in C,
  2. // with stack frame location as input parameter
  3. void hard_fault_handler_c (unsigned int * hardfault_args)
  4. {
  5.   unsigned int stacked_r0;
  6.   unsigned int stacked_r1;
  7.   unsigned int stacked_r2;
  8.   unsigned int stacked_r3;
  9.   unsigned int stacked_r12;
  10.   unsigned int stacked_lr;
  11.   unsigned int stacked_pc;
  12.   unsigned int stacked_psr;

  14.   stacked_r0 = ((unsigned long)hardfault_args[0]);
  15.   stacked_r1 = ((unsigned long)hardfault_args[1]);
  16.   stacked_r2 = ((unsigned long)hardfault_args[2]);
  17.   stacked_r3 = ((unsigned long)hardfault_args[3]);

  19.   stacked_r12 = ((unsigned long)hardfault_args[4]);
  20.   stacked_lr = ((unsigned long)hardfault_args[5]);
  21.   stacked_pc = ((unsigned long)hardfault_args[6]);
  22.   stacked_psr = ((unsigned long) hardfault_args[7]);

  24.   printf ("\n\n[Hard faulthandler - all numbers in hex]\n");
  25.   printf ("R0 = %x\n",stacked_r0);
  26.   printf ("R1 = %x\n",stacked_r1);
  27.   printf ("R2 = %x\n",stacked_r2);
  28.   printf ("R3 = %x\n",stacked_r3);
  29.   printf ("R12 = %x\n",stacked_r12);
  30.   printf ("LR [R14] = %x  subroutine call return address\n",stacked_lr);
  31.   printf ("PC [R15] = %x  program counter\n", stacked_pc);
  32.   printf ("PSR = %x\n",stacked_psr);

  34.   /******************* Add yourdebug trace here ***********************/
  35.   _int_kernel_isr();
  36. }

  38. /* hard fault interrupt handler */
  39. void _int_hardfault_isr( )
  40. {
  41.   __asm("TST LR, #4");
  42.   __asm("ITE EQ");
  43.   __asm("MRSEQ R0,MSP");
  44.   __asm("MRSNE R0,PSP");
  45.   __asm("Bhard_fault_handler_c");
  46. }
復(fù)制代碼

fault_isr.c.zip

1.42 KB, 下載次數(shù): 51, 下載積分: 黑幣 -5

vectors.c.zip

3.43 KB, 下載次數(shù): 41, 下載積分: 黑幣 -5

如何定位Kinetis MCU Hard Fault異常.pdf

362.58 KB, 下載次數(shù): 101, 下載積分: 黑幣 -5

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板凳
ID:130367 發(fā)表于 2016-7-13 21:51 | 只看該作者
正在調(diào)試STM32F205，OS操作系統(tǒng)調(diào)度USB功能，樓主的方法正中，非常感謝！  
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地板
ID:60851 發(fā)表于 2016-8-3 16:57 | 只看該作者
謝謝樓主分享
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5#
ID:163338 發(fā)表于 2017-2-3 12:18 | 只看該作者
我剛好需要，謝謝！
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6#
ID:166396 發(fā)表于 2017-2-24 14:15 | 只看該作者
謝謝樓主，正需要
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7#
ID:19303 發(fā)表于 2017-4-20 09:19 | 只看該作者
非常好，正好遇到同樣的問題
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8#
ID:221889 發(fā)表于 2017-7-24 00:12 | 只看該作者
需要，感謝 ！！！！！！！！！
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9#
ID:221889 發(fā)表于 2017-7-24 10:39 | 只看該作者
測試 ，需要下載
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10#
ID:250419 發(fā)表于 2017-11-17 15:02 | 只看該作者
謝謝樓主分享
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11#
ID:321859 發(fā)表于 2018-12-25 10:31 | 只看該作者

謝謝樓主分享
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12#
ID:551850 發(fā)表于 2019-5-31 14:37 | 只看該作者
感謝分享 很有用
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13#
ID:245771 發(fā)表于 2019-8-24 10:16 | 只看該作者
如果運(yùn)行幾個小時后才出現(xiàn)硬件錯誤，而且查看代碼定位到HAL_SPI_TransmitReceive應(yīng)該查什么
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14#
ID:276761 發(fā)表于 2020-12-20 17:29 | 只看該作者
感謝分享 很有用
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15#
ID:345850 發(fā)表于 2023-7-4 17:15 | 只看該作者
謝謝樓主，正需要
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