MCU HardFault問題查找和破解方法

時(shí)間：2021-10-19 16:10:37

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[導(dǎo)讀]一、HardFault產(chǎn)生原因和常規(guī)分析方法二、HardFault解決方法分析三、HardFault回溯的原理四、操作分析流程：心里明白徒手分析法CmBacktrace天龍大法五、總結(jié)一、HardFault產(chǎn)生原因和常規(guī)分析方法在嵌入式開發(fā)中，偶爾會遇到HardFault死機(jī)的異...

一、HardFault產(chǎn)生原因和常規(guī)分析方法

二、HardFault解決方法分析

三、HardFault回溯的原理

四、操作分析流程：

心里明白徒手分析法
CmBacktrace 天龍大法

五、總結(jié)

一、HardFault產(chǎn)生原因和常規(guī)分析方法

在嵌入式開發(fā)中，偶爾會遇到Hard Fault死機(jī)的異常，常見產(chǎn)生Hard Fault的原因大致有以下幾類：

數(shù)組越界和內(nèi)存溢出，譬如訪問數(shù)組時(shí)，動態(tài)訪問的數(shù)組標(biāo)號超過數(shù)組長度或者動態(tài)分配內(nèi)存太小等；
堆棧溢出，例如在使用中，局部變量分配過大，超過棧大小，也會導(dǎo)致程序跑飛；
在外設(shè)時(shí)鐘開啟前，訪問對應(yīng)外設(shè)寄存器，例如Kinetis中未打開外設(shè)時(shí)鐘去配置外設(shè)的寄存器；
不當(dāng)?shù)挠梅ú僮鳎绶菍R的數(shù)據(jù)訪問、除0操作(默認(rèn)情況下M3/M4/M7，除0默認(rèn)都不會觸發(fā)Fault，因?yàn)锳RM內(nèi)核CCR寄存器DIV_0_TRP位復(fù)位值為0，而對M0來說DIV_0_TRP位是reserved的，也不會產(chǎn)生Fault錯誤)、強(qiáng)行訪問受保護(hù)的內(nèi)存區(qū)域等；

出現(xiàn)Hardfault錯誤時(shí)，問題比較難定位的原因在于此時(shí)代碼無法像正常運(yùn)行時(shí)一樣，在debug IDE的stack callback窗口能直接找到出錯時(shí)上一級的調(diào)用函數(shù)，所以顯得無從下手。通常情況下我們都是通過在某個區(qū)間打斷點(diǎn)，然后通過單步執(zhí)行去逐步縮小“包圍圈”去找到產(chǎn)生Hard Fault的代碼位置，接著再去推敲、猜測問題的原因。對于不是很復(fù)雜的程序，這種方法是有效的，但是當(dāng)用戶代碼量進(jìn)一步增大，再用這種單步斷點(diǎn)去逐步縮小包圍圈的方式就很難查到問題點(diǎn)，效率也很低。尤其是在有操作系統(tǒng)的應(yīng)用中，很多代碼的跳轉(zhuǎn)是由操作系統(tǒng)調(diào)度的，不是嚴(yán)格的順序執(zhí)行，所以很難依靠縮小包圍圈的方式去有效找到問題產(chǎn)生的點(diǎn)，進(jìn)一步增加了定位到Hard Fault觸發(fā)原因的難度。

盡管本測試是針對NXP KW36芯片的，但該步驟和方法也適用于其他的Arm Cortex-M內(nèi)核MCU；

二、HardFault解決方法分析

筆者在實(shí)際支持客戶過程中也遇到這種困惑，網(wǎng)上的介紹資料比較零散，理論很多，很少詳細(xì)描述實(shí)戰(zhàn)操作的步驟，借助同事的點(diǎn)撥，摸索出兩種定位Hard Fault問題的方法，在實(shí)際使用中操作性也很強(qiáng)，此處分別做一介紹。

第一種：心里明白徒手分析法，就是在了解Hard Fault出錯原理以及程序調(diào)用壓棧出棧原理的基礎(chǔ)上(當(dāng)然按照本文的練就心法，心里不明白也可以)，在Debug仿真模式下徒手去回溯分析CPU通用寄存器（LR/MSP/PSP/PC），然后結(jié)合調(diào)試IDE去定位到產(chǎn)生Hard Fault的代碼位置；
第二種：CmBacktrace 天龍大法，該方法是朱天龍大神針對 ARM Cortex-M系列MCU開發(fā)的一套錯誤代碼自動追蹤、定位、錯誤原因自動分析的開源庫，已開源在Github上，該方法支持在非Debug模式下，自動分析定位到出錯的行號，無需了解復(fù)雜的壓棧出棧過程。

兩者的區(qū)別在于：前者不需要額外添加代碼，缺點(diǎn)是只能在仿真狀態(tài)下調(diào)試，需要用戶對程序調(diào)用壓棧/出棧原理有清晰的理解，后者的唯一的缺點(diǎn)是需要適當(dāng)添加代碼，并稍微配置工程和打印輸出，優(yōu)點(diǎn)就太多了。首先，產(chǎn)品真機(jī)調(diào)試時(shí)可以斷開仿真器，并將錯誤信息輸出到控制臺上，甚至可以將錯誤信息使用 Easy Flash 的 Log 功能保存至 Flash 中，待設(shè)備死機(jī)后重啟依然能夠讀取上次的錯誤信息。這個功能真的是very very重要了，尤其在有些Hard Fault問題偶發(fā)的情況下，很多時(shí)候一天可能也復(fù)現(xiàn)不了一次問題，但借助CmBacktrace 天龍大法便可以輕松脫離仿真器get每一次錯誤，最后再配合 addr2line 工具進(jìn)行精確定位出錯代碼的行號，方便用戶進(jìn)行后續(xù)的精確分析。

三、HardFault回溯的原理

為了找到Hard Fault 的原因和觸發(fā)的代碼段，就需要深刻理解當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生異常時(shí) MCU 的處理過程: 當(dāng)處理器接收一個異常后，芯片硬件會自動將8個通用寄存器組中壓入當(dāng)前棧空間里（依次為 xPSR、PC、LR、R12以及 R3~R0），如果異常發(fā)生時(shí)，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。那問題來了，如何找到這個?？臻g的地址呢？答案是SP, 但是前面提到壓棧時(shí)會有MSP和PSP，如何判斷觸發(fā)異常時(shí)使用的MSP還是PSP呢？答案是LR。到此確定完SP后，用戶便可以通過堆棧找到觸發(fā)異常的PC 值，并與反匯編的代碼對比就能得到哪條指令產(chǎn)生了異常。

總結(jié)下來，總體思路就是：首先通過LR判斷出異常產(chǎn)生時(shí)當(dāng)前使用的SP是MSP還是PSP，接著通過SP去得到產(chǎn)生異常時(shí)保存的PC值，最后與反匯編的代碼對比就能得到哪條指令產(chǎn)生了異常。

回到前面的第二個問題，如何通過LR判斷當(dāng)前使用的MSP還是PSP呢？參見如下圖，當(dāng)異常產(chǎn)生時(shí)，LR 會被更新為異常返回時(shí)需要使用的特殊值（EXC_RETURN），其定義如下，其高 28 位置 1，第 0 位到第3位則提供了異常返回機(jī)制所需的信息，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。

四、操作分析流程：

理解了以上的Hard Fault回溯的原理，下面按以上提到的兩種思路來實(shí)操一下。

1. ?心里明白徒手分析法

前面提到，為了清晰的展現(xiàn)這個過程以及每個參數(shù)之間的關(guān)系，盡量把整個流程按照順序整理到一張圖中，如下圖1。示例中使用的是KW36 temp_sensor_freeRTOS例子（什么例子不重要，該方法也適用于其他的MCU系列），在main函數(shù)中通過非對齊地址訪問故意制造Hard Fault錯誤，代碼如圖中序號1，當(dāng)程序試圖訪問讀取非對齊地址0xCCCC CCCC位置時(shí)程序就會跳入到Hard Fault Handler中，那具體是如何通過堆棧分析定位到出錯代碼是在n=*p這一行呢？具體步驟如下：

Step1：判斷SP是MSP還是PSP，找出SP地址。在產(chǎn)生Hard Fault異常后，首先在序號2中選擇“ CPU register”，不要使用默認(rèn)的 “CPU register ”，否則默認(rèn)只會顯示MSP，不會顯示PSP。然后查看序號3中LR寄存器的值表示判斷當(dāng)前程序使用堆棧為MSP主進(jìn)程或PSP子進(jìn)程堆棧，顯然LR=0xFFFFFFF9 的bit2=0，表示使用的是主棧，于是得到SP=序號4中的SP_main=0x20005620；

Step2：找出PC地址。如序號5演示，打開memory串口，輸入SP的地址可以找到異常產(chǎn)生前壓棧的8個寄存器，依次為 xPSR、PC、LR、R12以及 R3~R0，序號6中便可以找到出錯前PC的地址位0x00008a06；

Step3：找出代碼行數(shù)。如序號7演示，打開匯編窗口，在“go to”串口輸入PC地址，便可以找到具體出錯時(shí)代碼的位置，如序號8演示，可以發(fā)現(xiàn)，輕松愉快的找到了導(dǎo)致Hard Fault的非對齊訪問的代碼行；

2. CmBacktrace 天龍大法

Step1： 從天龍大神的Github下載CmBacktrace的源代碼包，拷貝cm_backtrace目錄下的4個文件以及cmb_fault.s文件到KW36 IAR工程中，如下圖序號2標(biāo)識，并添加相應(yīng)的搜索路徑；

Step2： 根據(jù)應(yīng)用修改cmb_cfg.h的配置，需要配置的選項(xiàng)包括print打印信息的重定義，是否需要支持OS，OS的類型(RTT、uCOS以及FreeRTOS)，ARM內(nèi)核的類型，打印輸出語言類型等；本實(shí)例中使用了錯誤信息中文打印以及FreeRTOS，所以配置如下圖序號2標(biāo)識。

Step3： 修改FreeRTOS的task.c文件增加以下3個函數(shù)，否則在編譯時(shí)會報(bào)錯提示這3個函數(shù)無定義。最簡單的做法就是直接使用CmBacktrace源代碼包的task.c替代KW36 SDK中的task.c文件。

Step4： 在啟動FreeRTOS啟動任務(wù)調(diào)度前初始化CmBacktrace庫以及配置信息，并在startup子任務(wù)中編寫故意制造錯誤的代碼，代碼如下。

Step5： 配置打印信息的輸出位置，建議的做法是輸出到物理串口，可以方便的離線分析記錄log, 但實(shí)驗(yàn)中為了簡化以及通用(有些時(shí)候硬件設(shè)計(jì)上可能沒有留硬件串口)，直接把打印信息輸出到IAR的Terminal IO進(jìn)行顯示(Kinetis SDK如何修改代碼，使能打印信息輸出到IAR的Terminal IO的做法詳見另外一篇文檔)。

Step6： 運(yùn)行代碼，觀察打印結(jié)果，可以看到打印信息中包含出錯的任務(wù)名稱、出錯前的任務(wù)壓棧的8個通用寄存器名稱和內(nèi)容，從圖中可以一目了然的找出出錯的PC指針，如果進(jìn)一步去結(jié)合匯編代碼可以清晰的看到其能夠準(zhǔn)確定位到代碼出錯的位置。

Step7： 盡管在Step6中結(jié)合匯編找到了出錯的代碼行，但是前面吹過的一個牛逼還未實(shí)現(xiàn)，就是使用CmBacktrace 可以支持不掛仿真器debug狀態(tài)下找到出錯的代碼行，那具體如何操作呢？答案其實(shí)在Step 5的打印信息中已經(jīng)揭曉“查看更多函數(shù)調(diào)用棧信息，請運(yùn)行：addr2line -e CmBacktrace.out -a -f 00005f12 0000dda4 ”。

于是拷貝工程的.out文件到\tools\addr2line\win64目錄下，在cmd命令行中執(zhí)行以上命令，結(jié)果如下圖的上半部分，可以看到出錯的任務(wù)是startup_task，出錯的文件是fsl_os_abstraction_free_rtos.c，出錯行號是135。結(jié)合截圖的下半部分的代碼去看，完全驗(yàn)證了這三個點(diǎn)。

到此，使用CmBacktrace大法不輕松但很愉悅的定位到問題點(diǎn)了。

五、總結(jié)：

對于Hard Fault問題，通過以上兩種辦方法可以有效的找到問題點(diǎn)，為后續(xù)進(jìn)一步分析定位問題指明方向。徒手分析法比較簡單，不需要額外添加代碼，缺點(diǎn)是只能在仿真狀態(tài)下調(diào)試，需要用戶對程序調(diào)用壓棧/出棧原理有清晰的理解。CmBacktrace 天龍大法則支持離線調(diào)試分析，但繁瑣點(diǎn)在于需要移植代碼，并配置工程和打印輸出，尤其在Hard Fault問題偶發(fā)（很多時(shí)候一天可能也復(fù)現(xiàn)不了一次問題）以及只有離線狀態(tài)下才能復(fù)現(xiàn)問題的情況下，使用CmBacktrace 的方法去定位問題是非常高效的。至于如何將錯誤信息使用 Easy Flash 的 Log 功能保存至 Flash 中，待設(shè)備死機(jī)后重啟依然能夠讀取上次的錯誤信息部分，時(shí)間關(guān)系筆者沒有深入研究，有興趣的可以嘗試實(shí)現(xiàn)。