应对STM32|应对STM32 Cortex-M3 Hard Fault异常
STM32 Cortex-M3 Hard Fault
Hard fault (硬错误,也有译为硬件错误的)是在STM32（如无特别说明，这里的STM32指的是Cortex-M3的核）上编写程序中所产生的错误，造成Hard Fault错误的原因也是最为纷繁复杂的。由于能导致该错误的原因很多，所以一但出现，比较难找到其原因。网上有很多类似的这种方法，现在我将其稍加整理，并结合我曾经遇到过的问题，详细说明。
硬fault 是总线fault、存储器管理fault 以及用法fault 上访的结果。如果这些fault 的服务例程无法执行，它们就会成为“硬伤”——上访（escalation）成硬fault。另外，在取向量（异常处理是对异常向量表的读取）时产生的总线fault，也按硬fault 处理。在NVIC 中有一个硬fault 状态寄存器（HFSR），它指出产生硬fault 的原因。如果不是由于取向量造成的，则硬fault 服务例程必须检查其它的fault 状态寄存器，以最终决定是谁上访的。
1 寄存器描述
首先查看硬故障寄存器，判别原因。
文章图片
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对于调试故障，有个调试故障寄存器，在0xE000ED30处，有详细介绍，不做探讨；
对于取中断发生的，有两类原因，一是在取向量过程中发生总线 fault，二是向量表偏移量设置有误。
本文重点介绍位30所示的，上访类错误。
这样Fault类异常有了三类，用法错误，存储管理错误，总线错误。
文章图片
对于这些寄存器详尽的描述，见权威指南。
2 确定发生错误的地方
2.1 查找出错原因 Cortex-M3有双堆栈功能，在带有操作系统时，一般都会使用。在Keil软件使用JTAG调试为例，系统的启动文件中，将断点打在下面4个地方。
HardFaultException
BHardFaultException
MemManageException
BMemManageException
BusFaultException
BBusFaultException
UsageFaultException
BUsageFaultException
程序跑飞以后，就会停在上面的4个断点的一个地方。可以通过两种方式查找原因。
第一种，在KEIL软件下，利用软件提供的功能查找故障原因。
文章图片
在点出的窗口中，可以大体确定是哪个寄存器、什么原因造成了Hard Fault。
第二种，通过在内存观察窗口，直接输入上面那些寄存器的值来确定，通过观看寄存器那个位被置1了，确定出错原因。
2.2 确定出错地方 然后查看左侧寄存器栏中Banked确定现在使用的是那个堆栈，MSP或者是PSP，确定以后，在内存查看窗口，输入堆栈的地址，以这个地址开始的8个32位数值，应该依次是R0,R1,R2,R3,R12,R14,R15,XPSR的数值，据此判定你的堆栈地址是不是对的（有时需要考虑堆栈的增长方向）。R14，R15的地址就是我们出错的代码所在的地址，需要在这个地址基础上，首先偶数对齐，然后向上减去8个字节。
需要考虑的是，在使用MSP的时候，有出错的地方并不一定在R14，R15处，而是在XPSR往后的第二个地址处，在这个附近查找，排除故障。
3 两个例子 下面就我之前碰到过的，举例说明，这两个例子分析出结果后，会觉得很简单，但是查找原因的过程有点费劲。
3.1 memcpy内存拷贝函数引发 总线故障寄存器中IMPERCISERR位，标示不精确的数据总线访问错误，权威指南中对此有详尽的说明，“或者传送的数据单位尺寸不能为设备所接受，此时有可能是LDM/STM指令造成的”。
Memcpy函数的原因是这样的void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n)，其中src是源地址，dest是目的地址，n是要拷贝的字节长度。KEIL自带的函数中并不检查这三个参数是否有效，我所开发的程序中，源地址和目的地址都在外存（外部扩展的内存，本次大小是4M）中，假设size的大小是0xFFFF FFFF，这样的数值非常的大，单纯的拷贝都需要10多秒。程序中定义了很多的变量都在外存，这个拷贝函数所在的任务优先级比较低，可能被中断或者其它的任务打断。
我调试程序的时候，首先是发生在了中断的地方，外存数组地址到了0x21FF 2200,原来定义在6802 1000，加起来立刻超出了外存大小。修改中断，最终确定是传入的参数n太大了，直接是0xFFFF FFFF，这样memcpy函数会在这里陷入死循环，一直到外存耗尽，地址再增加，找不到外存地址了，然后触发Hard Fault。
3.2 滥用临界区 程序中的一些关键代码，有时候需要在临界区中执行，但是临界区若使用不当，则也会造成错误。
OS_ENTER_CRITICAL();
。。。。。。。。。。。。。。。。。。
。。。。。。。。。。。。。。。。。。
OS_EXIT_CRITICAL();
#defineOS_ENTER_CRITICAL(){cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();
}
OS_CPU_SR_Save
MRSR0, PRIMASK;
保存全局中断标志;
CPSIDI;
关中断
BXLR
将全局中断标志保存到R0中，此时R0是0，CPSIDI则执行关中断命令，此时PRIMASK是1。
#defineOS_EXIT_CRITICAL(){OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);
}
OS_CPU_SR_Restore
MSRPRIMASK, R0;
恢复全局中断标志
BXLR
将R0放入全部中断寄存器中，则允许所有中断了。
程序中如何保护R0的，细看汇编发现，实际上在执行关中断后，将R0保存到了sp+8处，开中断时再取出来，这样才保证了不会被修改。
STRr0,[sp,#0x08]tPendTimes = 0;
同时，开中断， LDRr0,[sp,#0x08]，则从sp+8处取出来，保存到R0中。
临界区中的代码完成如下内容：
netconn_write(tradeconn,g_u8TcpSendBuf,l_u32CodeSendLen,NETCONN_COPY);
调用TCPIP_APIMSG(&msg);
，
sys_mbox_post(mbox, &msg);
OSQPost(mbox->hMBox, msg)发送消息，OS_EventTaskRdy函数修改线程的状态，使OSTCBStatPend变为等待完毕；
此时若协议栈线程优先级高于当前任务，则会触发任务调度，悬起OSPendSV，但是由于关闭了中断，即使在调用OS_ENTER_CRITICAL()后，也无法打开中断，故不能执行中断，任务无法切换。
同理，调用sys_arch_sem_wait(apimsg->msg.conn->op_completed, 0);
，也无法阻塞自身，执行任务调度，程序在临界区里面变成了单线程在跑。
一直等待代码执行完毕开中断后，悬起的软中才能执行，本来应该在发送消息和等待消息处执行任务切换的，现在只能等待临界区执行完毕后，才能执行任务切换中断。此刻的PSP是0x2000DFAC，临界区的那段代码我们也有压栈操作，即是0x2000 DFAC后面的内容也是我们需要的，如下图所示。
文章图片
原来的内容是这样的，如下图所示：
文章图片
此时在OSPendSV中，执行如下语句
MRSR0, PSP;
PSP is process stack pointer
CBZR0, OSPendSV_nosave;
SUBSR0, R0, #0x20;
save remaining regs r4-11 on process stack
STMR0, {R4-R11}
从PSP-32个字节处开始，保存R4到R11这8个寄存器32个字节，则原来的内容都被覆盖了，而这些内容正好是我们需要的。被修改后的截图如所示，原来的内容被改成R4到R11这几个寄存器的值。
文章图片
其中从0801556D变成了68130000，协议栈线程如下执行。
msg->msg.apimsg->function(&(msg->msg.apimsg->msg));
函数的地址变成了6813 0000，而6813 0000，是我们的外存，
在这里执行代码0x68130006 F63A07E1DCD0xF63A07E1;
? Undefined
最终是这句话，触发了Hard fault。
3.3 运行中记录出错位置 以3.2为例子，进行简单的反推。启动文件中的Hard中断处理一般如下所示，即让程序陷入这个死循环。
HardFaultException
;
BHardFaultException
现在我们要在记录重要数据，即此刻系统的运行情况，主要包括：此刻堆栈情况、以及R0等8个寄存器的值、相关Hard硬件寄存器的值，若是任务引发的，还要记录任务的ID号，因此修改这个异常处理函数。
HardFaultException
TST LR, #4;
将LR的值与4按位相与
ITE EQ//若为0则是MSP，否则是PSP
MRSEQ R0, MSP
MRSNE R0, PSP
B hard_fault_handler_c//这个是C语言编写的函数
void hard_fault_handler_c(unsigned int * hardfault_args)
{
unsigned int stacked_r0,stacked_r1,stacked_r2,stacked_r3;
unsigned int stacked_r12,stacked_lr, stacked_pc, stacked_psr;
stacked_r0 = ((unsigned long) hardfault_args[0]);
stacked_r1 = ((unsigned long) hardfault_args[1]);
stacked_r2 = ((unsigned long) hardfault_args[2]);
stacked_r3 = ((unsigned long) hardfault_args[3]);
stacked_r12 = ((unsigned long) hardfault_args[4]);
stacked_lr = ((unsigned long) hardfault_args[5]);
stacked_pc = ((unsigned long) hardfault_args[6]);
stacked_psr = ((unsigned long) hardfault_args[7]);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"[Hard fault handler]\n");
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"The task pri id = 0x%0.8x\n", OSPrioCur);
//任务ID号
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"SP = 0x%0.8x\n", hardfault_args);
//堆栈地址
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"R0 = 0x%0.8x\n", stacked_r0);
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"R1 = 0x%0.8x\n", stacked_r1);
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"R2 = 0x%0.8x\n", stacked_r2);
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"R3 = 0x%0.8x\n", stacked_r3);
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"R12 = 0x%0.8x\n", stacked_r12);
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"LR = 0x%0.8x\n", stacked_lr);
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"PC = 0x%0.8x\n", stacked_pc);
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
sprintf((char*)g_cDataBuf,"PSR = 0x%0.8x\n", stacked_psr);
Usart232SendStr(g_cDataBuf);
exit(0);
// terminate
return;
}
以3.2为例，发生异常后，串口的输出入下所示：
[Hard fault handler]
The task pri id = 0x00000014//任务优先级是20
SP = 0x200077d8//当前任务的堆栈地址是0x2000 77D8
R0 = 0x2000dfa0
R1 = 0x68130000
R2 = 0x2000df9c
R3 = 0x20002100
R12 = 0x00000001
LR = 0x0801c7fb//分析得出，这个地址就是出错的地方
PC = 0x68130000
PSR = 0x00000000
此时需要借助map文件分析，map文件中得出对应的代码和数据位置。
tcpip_thread0x0801c7adThumb Code190tcpip.o(i.tcpip_thread)
i.tcpsvr_accept_200x0801c874Section64ftpmanage.o(i.tcpsvr_accept_20)
0x0801 c7fb应该在tcpip文件中的tciip_thread函数里。
T_LWIP_THREAD_STK0x20007000Data2048sys_arch.o(.bss)
rsuPib0x20007800Data32para.o(.bss)
堆栈空间是0x2000 77D8，是在T_LWIP_THREAD_STK这个栈空间里，这也是协议栈任务的堆栈空间，证明判断的任务优先级为20是正确的。
从0x0801 C7AD处开始的16进制文件如下图所示，再将汇编文件列出（需要KeiL生成）。
文章图片
tcpip_thread PROC
;
;
;
232static void
;
;
;
233tcpip_thread(void *arg)
000000b508PUSH{r3,lr}//开始
;
;
;
234{
;
;
;
235struct tcpip_msg *msg;
;
;
;
236LWIP_UNUSED_ARG(arg);
;
;
;
237
;
;
;
238#if IP_REASSEMBLY
;
;
;
239sys_timeout(IP_TMR_INTERVAL, ip_reass_timer, NULL);
;
;
;
240#endif /* IP_REASSEMBLY */
;
;
;
241#if LWIP_ARP
;
;
;
242sys_timeout(ARP_TMR_INTERVAL, arp_timer, NULL);
0000022200MOVSr2,#0
000004492eLDRr1,|L11.192|
000006f2413088MOVr0,#0x1388
00000af7fffffeBLsys_timeout
;
;
;
243#endif /* LWIP_ARP */
;
;
;
244#if LWIP_DHCP
;
;
;
245sys_timeout(DHCP_COARSE_TIMER_MSECS, dhcp_timer_coarse, NULL);
;
;
;
246sys_timeout(DHCP_FINE_TIMER_MSECS, dhcp_timer_fine, NULL);
;
;
;
247#endif /* LWIP_DHCP */
;
;
;
248#if LWIP_AUTOIP
;
;
;
249sys_timeout(AUTOIP_TMR_INTERVAL, autoip_timer, NULL);
;
;
;
250#endif /* LWIP_AUTOIP */
;
;
;
251#if LWIP_IGMP
;
;
;
252sys_timeout(IGMP_TMR_INTERVAL, igmp_timer, NULL);
;
;
;
253#endif /* LWIP_IGMP */
;
;
;
254#if LWIP_DNS
;
;
;
255sys_timeout(DNS_TMR_INTERVAL, dns_timer, NULL);
;
;
;
256#endif /* LWIP_DNS */
;
;
;
257
;
;
;
258if (tcpip_init_done != NULL) {
00000e482dLDRr0,|L11.196|
0000106800LDRr0,[r0,#0];
tcpip_init_done
000012b128CBZr0,|L11.32|
;
;
;
259tcpip_init_done(tcpip_init_done_arg);
000014482bLDRr0,|L11.196|
0000161d00ADDSr0,r0,#4
0000186800LDRr0,[r0,#0];
tcpip_init_done_arg
00001a492aLDRr1,|L11.196|
00001c6809LDRr1,[r1,#0];
tcpip_init_done
00001e4788BLXr1
|L11.32|
;
;
;
260}
;
;
;
261
;
;
;
262LOCK_TCPIP_CORE();
;
;
;
263while (1) {/* MAIN Loop */
000020e04cB|L11.188|
|L11.34|
;
;
;
264sys_mbox_fetch(mbox, (void *)&msg);
0000224669MOVr1,sp
0000244827LDRr0,|L11.196|
0000261f00SUBSr0,r0,#4
0000286800LDRr0,[r0,#0];
mbox
00002af7fffffeBLsys_mbox_fetch
;
;
;
265switch (msg->type) {
00002e9800LDRr0,[sp,#0]
0000307800LDRBr0,[r0,#0]
0000322805CMPr0,#5
000034d240BCS|L11.184|
000036e8dff000TBB[pc,r0]
00003a030bDCB0x03,0x0b
00003c222b3500DCB0x22,0x2b,0x35,0x00
;
;
;
266#if LWIP_NETCONN
;
;
;
267case TCPIP_MSG_API:
;
;
;
268//if(msg->msg.apimsg->msg.conn == NULL)
;
;
;
269//break;
;
;
;
270LWIP_DEBUGF(TCPIP_DEBUG, ("tcpip_thread: API message %p\n", (void *)msg));
;
;
;
271msg->msg.apimsg->function(&(msg->msg.apimsg->msg));
0000409a00LDRr2,[sp,#0]
0000426892LDRr2,[r2,#8]
0000441d10ADDSr0,r2,#4
0000469a00LDRr2,[sp,#0]
0000486892LDRr2,[r2,#8]
00004a6811LDRr1,[r2,#0]
00004c4788BLXr1
;
;
;
272break;
00004ee034B|L11.186|//0x0801 c7fb对应的代码
;
;
;
273#endif /* LWIP_NETCONN */
;
;
;
274
;
;
;
275case TCPIP_MSG_INPKT:
;
;
;
276LWIP_DEBUGF(TCPIP_DEBUG, ("tcpip_thread: PACKET %p\n", (void *)msg));
;
;
;
277#if LWIP_ARP
;
;
;
278if (msg->msg.inp.netif->flags & NETIF_FLAG_ETHARP) {
0000509800LDRr0,[sp,#0]
从代码看地址对应是00004ee034B|L11.186|，即switch分支的break语句，但是实际应该是上面的那句，BLXr1，而此时R1的值是
R1 = 0x68130000，即跳转到6813 0000处执行，与在3.2的分析是一样的。
这也只能判断出出错的位置，原因还是需要仿真调试，才能找到。
3.4 总结 发生Hard Fault以后，意味着程序跑飞了，有的原因是很简单的，但是有的需要仔细分析，以上两个例子应该都算比较简单的。以第一个例子来说，若从首次定位来看是在中断里，中断里变量的数值太大，超出了外存的大小，但是这个值为什么会这么大？正常中断接收数据不会变成有0x21FF 2200这么多字节的，此时就需要考虑是别的地方踩到了此处的内存，导致取出来的数据一下子变成了这么大。然后逐步定位，才能找出真正的原因。
4 参考文献 网上有几篇非常不错的文章，可以看看，加深理解。
[1] Cortex-M3 权威指南，Joseph Yiu 著，宋岩 译。（在书的附录E中对Fault类异常有非常详尽的介绍）
[2] Cortex-M3技术参考手册，周立功。（在书的P89到96页对以上所介绍的寄存器有很详细的描述）
[3] Application Note 209,Using Cortex-M3 and Cortex-M4 Fault Exceptions. KEIL Tools by ARM.（这个是KEIL软件下使用的说明，介绍的例子可以一看）
[4] 教你如何找到导致程序跑飞的指令,,http://blog.sina.com.cn/ifreecoding.（博主在文章里一步步讲述，非常清晰，让人一看就明白）
【应对STM32|应对STM32 Cortex-M3 Hard Fault异常】转载于:https://www.cnblogs.com/fozu/p/3613894.html
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