Part1引言

Cortex-M3微控制器因其功能強(qiáng)大、性價比高以及易用性好，在嵌入式體系結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實際開發(fā)過程中，如果程序很大或運(yùn)行很久后可能會遇到HardFault異常。為了快速有效地解決HardFault異常，本文將討論定位HardFault問題的方法。

Part2常見引發(fā)HardFault原因

1. 訪問非法內(nèi)存地址：編程中處理指針時可能導(dǎo)致訪問未定義的內(nèi)存地址，特別是在數(shù)組越界、非法指針解引用等情況下。
2. 疊棧溢出：程序運(yùn)行過程中如果棧溢出，會導(dǎo)致棧上數(shù)據(jù)錯誤，從而引發(fā)異常。
3. 寄存器未正確初始化：寄存器配置和使用不正確，可能導(dǎo)致硬件異常。
4. 除0運(yùn)算：當(dāng)程序試圖執(zhí)行除0運(yùn)算時，可能發(fā)生硬件故障異常。
5. 總線錯誤：外設(shè)總線通信發(fā)生錯誤，可能引起硬件故障。

Part3軟件觸發(fā)HardFault異常

ES32F36xx是Cortex-M3內(nèi)核，當(dāng)被除數(shù)為0時，硬件將觸發(fā)一個異常，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入Hard Fault異常狀態(tài)。這種情況下，處理器不能正常運(yùn)行，并且不能恢復(fù)，直到硬件或軟件采取措施使得系統(tǒng)回到正常狀態(tài)。在ES32_SDK中，ES32F36xx 的KEY_LED_ADC例程中增加如下程序：

//B函數(shù)
voidB_Function(void)
{
printf_e("EnterBfunction
");
C_Function(0);
printf_e("ExitBfunction
");
}
//A函數(shù)
voidA_Function(void)
{
printf_e("EnterAfunction
");
B_Function();
printf_e("ExitAfunction
");
}
//C函數(shù)
intC_Function(intval)
{
return100/val;
}
//D函數(shù)
voidD_Function(void)
{
printf_e("EnterDfunction
");
C_Function(1);
printf_e("ExitDfunction
");
}
//TestDebug函數(shù)
voidTestDebug(void)
{
//使能除0異常
volatileint*CCR=(volatileint*)0xE000ED14;
*CCR|=(1<4);

A_Function();
D_Function();
}
//主函數(shù)
intmain(void)
{
uart_stdio_init();

TestDebug();
while(1);
}

如圖 1所示，工程文件中，User選項中增加“fromelf -a -c --output=all.dis .objout.axf“，生成匯編文件。

圖1 MDK工程生成匯編文件配置

Part4HardFault異常函數(shù)調(diào)用關(guān)系及問題定位

上述程序運(yùn)行過程中會發(fā)生hardfault異常，發(fā)生hardfault異常瞬間，程序立刻中止運(yùn)行，硬件自動保存“調(diào)用者保存寄存器“的值到棧，同時跳轉(zhuǎn)到異常向量表執(zhí)行異常處理函數(shù)。如圖 2所示為發(fā)生異常瞬間，硬件自動保存xPSR、ReturnAddress、LR、R12、R3、R2、R1及R0寄存器。

圖2 處理器進(jìn)入異常時的棧幀

硬件僅保存了部分寄存器，為了保存發(fā)生異常瞬間所有寄存器值，程序跳轉(zhuǎn)到中斷向量處需要執(zhí)行如下的匯編代碼：

;getcurrentcontext
TSTlr,#0x04;if(!EXC_RETURN[2])
ITEEQ
;[2]=0==>Z=1,getfaultcontextfromhandler
MRSEQr0,msp
;[2]=1==>Z=0,getfaultcontextfromthread
MRSNEr0,psp

STMFDr0!,{r4-r11};pushr4-r11register
STMFDr0!,{lr};將EXC_RETURN值壓棧

TSTlr,#0x04;if(!EXC_RETURN[2])
ITEEQ
;R0為棧值，作為hw_hardfault_exception函數(shù)首個參數(shù)
MSREQmsp,r0
;[2]=1==>Z=0,getfaultcontextfromthread
MSRNEpsp,r0

;再次將EXC_RETURN值壓棧
PUSH{lr}
;跳轉(zhuǎn)至hw_hardfault_exception函數(shù)
BLhw_hardfault_exception
POP{lr}
ORRlr,lr,#0x04
BXlr
ENDP

上述匯編代碼的主要功能是獲取棧（SP）地址，并將R4 ~ R11壓棧，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行hw_hardfault_exception函數(shù)。壓棧后棧中的數(shù)據(jù)情況如圖 3所示：

圖3 hardfault異常瞬間棧中完整寄存器

Return Address是發(fā)生異常指令點(diǎn)，LR是發(fā)生異常指令所在函數(shù)的下一條指令地址。在hw_hardfault_exception函數(shù)中將棧中的寄存器值都通過串口打印出來。

voidhw_hardfault_exception(structexception_info*exception_info)
{
uint32_t*app_sp=NULL;
inti=0;
/*sp指向發(fā)生hardfault前棧地址*/
app_sp=(uint32_t*)(exception_info+1);/*context+16*4*/

printf_e("psr:0x%08x
",exception_info->psr);
printf_e("r00:0x%08x
",exception_info->r0);
printf_e("r01:0x%08x
",exception_info->r1);
printf_e("r02:0x%08x
",exception_info->r2);
printf_e("r03:0x%08x
",exception_info->r3);
printf_e("r04:0x%08x
",exception_info->r4);
printf_e("r05:0x%08x
",exception_info->r5);
printf_e("r06:0x%08x
",exception_info->r6);
printf_e("r07:0x%08x
",exception_info->r7);
printf_e("r08:0x%08x
",exception_info->r8);
printf_e("r09:0x%08x
",exception_info->r9);
printf_e("r10:0x%08x
",exception_info->r10);
printf_e("r11:0x%08x
",exception_info->r11);
printf_e("r12:0x%08x
",exception_info->r12);
printf_e("lr:0x%08x
",exception_info->lr);
printf_e("pc:0x%08x
",exception_info->pc);

printf_e("stacks:
");

for(i=0;i%08x",*app_sp);
app_sp++;
++i;
if(i%16==0)
printf_e("
");
}
printf_e("
");
while(1);
}

在hw_hardfault_handler函數(shù)中打印出了所有相關(guān)寄存器，如圖 4所示：

圖4 發(fā)生異常時棧數(shù)據(jù)

從打出來的返回地址值（PC）為0x00000644，在生成的all.dis匯編文件搜索該地址，如圖 5所示，該地址是C_Function函數(shù)中的一個除法指令，R0寄存器值除以R1寄存器值，并將結(jié)果存放R0中。R0為0x64，確認(rèn)R1寄存器值即可。

圖5 發(fā)生hardfault異常瞬間執(zhí)行的指令

圖 4中，LR的值為0x0000060f，all.dis無法搜索到該地址。由于Cortex-M3使用的是Thumb指令集，bit0置位指示該地址地址指令是Thumb指令。bit0復(fù)位，搜索0x0000060e，如圖 6所示，該地址在B_Function函數(shù)中。B_Function函數(shù)調(diào)用了C_Function函數(shù)，R0為傳遞的參數(shù)0。由此可知，圖 5中，R1的除數(shù)值0，故程序會發(fā)生hardfault異常。

圖6 B_Function函數(shù)的匯編代碼

圖 6中，調(diào)用C_Function函數(shù)前，R4和LR寄存器被壓入了棧中。即圖 7中，LR的值為0x000005D1，R4的值為0xe000ed14。

圖 7 B_Function函數(shù)壓棧值

如圖 8所示，在all.dis文件搜索0x000005D0地址在A_Function函數(shù)中，在執(zhí)行A_Function函數(shù)前，對R4和LR進(jìn)行了壓棧。A_Function函數(shù)調(diào)用了B_Function函數(shù)。

圖 8 A_Function函數(shù)匯編代碼

如圖 9所示，A_Function函數(shù)壓入的R4值為0xe000ed14，LR值為0x000006a1。

圖 9 A_Function函數(shù)壓棧值

如圖 10，在all.dis文件中，搜索0x000006a0，發(fā)現(xiàn)該地址在TestDebug函數(shù)中，且該函數(shù)將R4和LR壓入棧中。

圖 10 TestDebug函數(shù)匯編代碼

如圖 11所示，A_Function函數(shù)壓入的R4值為0xe0001c18，LR值為0x00001ab9。

圖 11 TestDebug函數(shù)壓棧值

如圖 12所示，在all.dis文件中，搜索0x00001ab8，該地址在main函數(shù)中。

圖 12 main函數(shù)的匯編代碼

至此，如圖 13所示為發(fā)生hardfault異常時函數(shù)的調(diào)用關(guān)系，在C_Function函數(shù)中，被除數(shù)為0是導(dǎo)致進(jìn)入hardfault異常的原因。

圖 13 發(fā)生hardfault時的函數(shù)調(diào)用關(guān)系