Cortex-M 处理器 hardfault 定位方法和步骤（基于Keil mdk）

一. 问题的产生

Hard fault (硬错误,也有译为硬件错误的)是在STM32上编写程序中所产生的错误，造成Hard Fault错误的可能原因较多，排除硬件问题，如何在代码量较大的情况下，快速定位造成的hardfault的问题代码，就成为比较关键的问题。

本文将基于STM32处理器(stm32f091)，keil-MDK开发环境，总结hardfault的调试定位方法。在其他Cortex-M0 (m3,m4)内核处理器，和其他开发环境下，也可作为参考。

二. Cortex-M 处理器内核异常中断简介

1）错误种类

对于Cortex-M内核，架构采用错误异常的机制来检测问题，当核心检测到一个错误时，异常中断会被触发，并且核心会跳转到相应的异常终端处理函数执行，错误异常的终端分为以下四种：

HardFault
MemManage
BusFault
UsageFault

其中hardfault为最常见的错误类型，并且，在没有开启其他异常处理的情况下，默认进入hardfault异常中断处理函数：

void HardFault_Handler(void)
{
/* USER CODE BEGIN HardFault_IRQn 0 */
/* USER CODE END HardFault_IRQn 0 */
　　while (1)
　　{
　　　　/* USER CODE BEGIN W1_HardFault_IRQn 0 */
　　　　/* USER CODE END W1_HardFault_IRQn 0 */
　　}
}
2) 可能的原因

从软件角度，产生hardfault的可能原因有：

（1） 数组越界
（2）野指针
（3）未初始化硬件却开始操作，或无中断服务函数等

（4）任务堆栈溢出

《ARM Cortex-M0权威指南》中提到，关于 Cortex M0+内核主要有以下几点引起 HardFault 的原因：

非法存储器访问
非对齐数据访问
从总线返回错误
异常处理中的栈被破坏
程序在某些 C 函数中崩溃
意外地试图切换至 ARM 状态
在错误的优先级上执行系统服务调用指令(SVC)

下面将以一个stm32f091上运行的数组越界代码为例，具体阐述定位步骤：

产生越界的代码段：

void StackFlow(void)
{

　　int a[3],i;

　　for(i=0; i<10000; i++)
　　{

　　　　a[i]=1;

　　}
}
三. 人工查找hardfault 方法和步骤

方法1.查看寄存器

1）查看fault种类

通过菜单栏Peripherals >Core Peripherals >Fault Reports打开fault reports

2）调试定位步骤

查看fault种类有时可能对解决问题并没有直接帮助，关键是如何定位在进入异常中断前执行的代码段，步骤如下：

a. 确定当前使用堆栈是MSP还是PSP

异常发生后会把进入异常前的 R0-R3,R12, LR, PC,PSR 寄存器值栈入 Main Stack 或Process Stack（取决于异常发生时使用的哪个栈）。 进入异常后链接寄存器 LR 中存放异常返回值 EXC_RETURN， 如果其 bit 2=0 那么用的就是 Main Stack，如果 bit 2=1，那么用的就是 Process Stack。

由下图可以看出，当前使用的堆栈为PSP

b.找到异常发生代码地址

在memory中,定位到堆栈地址:0x200020E0,依据:R0~R3、R12、LR、PC、XPRS 顺序,找到LR的值,即第6个寄存器值

LR = 0x0800632B

PC = 0x08006300

c.Disassembly中,查找定位代码

在反汇编窗口中点击右键，选中show disassembly at address 。

输入LR地址：为发生异常后调用的下一条指令的地址，可看到发生异常的为StackFlow（）函数

输入PC地址：可以定位到发生异常的调用语句

方法2:调试步骤
在仿真状态下，调出Call Stack Window，可直接跳转到调用代码

四. 程序查找hardfault 方法和步骤

实际环境中，由于测试时产品常常无法连接调试器，故需要代码来定位目标语句地址，并通过一定手段保存：

在stm32中，需先修改启动文件startup_stm32f091xc.s：

HardFault_Handler\
PROC
MOVS r0, #4
MOV r1, LR
TST r0, r1
BEQ stacking_used_MSP
MRS R0, PSP
B get_LR_and_branch
stacking_used_MSP
MRS R0, MSP
get_LR_and_branch
MOV R1, LR
IMPORT hard_fault_handler_c
BL hard_fault_handler_c
ENDP
该段代码会判断当前堆栈使用的是MSP或PSP，然后将堆栈参数传递给hard_fault_handler_c函数，该函数定义如下：

void hard_fault_handler_c(unsigned int * hardfault_args, unsigned lr_value)
{
　　unsigned int stacked_r0;
　　unsigned int stacked_r1;
　　unsigned int stacked_r2;
　　unsigned int stacked_r3;
　　unsigned int stacked_r12;
　　unsigned int stacked_lr;
　　unsigned int stacked_pc;
　　unsigned int 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]);
　　while(1)
　　{
　　　　printf ("[Hard fault handler]\n");
　　　　printf ("R0 = %x\n", stacked_r0);
　　　　printf ("R1 = %x\n", stacked_r1);
　　　　printf ("R2 = %x\n", stacked_r2);
　　　　printf ("R3 = %x\n", stacked_r3);
　　　　printf ("R12 = %x\n", stacked_r12);
　　　　printf ("Stacked LR = %x\n", stacked_lr);
　　　　printf ("Stacked PC = %x\n", stacked_pc);
　　　　printf ("Stacked PSR = %x\n", stacked_psr);
　　　　printf ("Current LR = %x\n", lr_value);

　　for(int i = 10000;i>0;i--)
　　for(int j = 1000;j>0;j--);
　　}

　　//while(1); // endless loop
}

代码跑死后，会将R0~R3、R12、LR、PC信息通过串口打印，之后根据寄存器信息排查问题代码即可~

参考资料：

（1）XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXt/geek_liyang/article/details/83510518

（2）XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXt/Maple_Leaf_15/article/details/51443310

（3）XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXml

（4）XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXt/Wang_yf_/article/details/75003611

（5）XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/s/blog_XXXXXXXXXXXXXXXXXXXml

（6）XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXt/guozhongwei1/article/details/88418760

（7）XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/thread/306244

（8）XXXXXXXXXXXXXXXXXXX/appnotes/files/apnt209.pdf

（9）《ARM Cortex-M0权威指南》Joseph Yiu 著，宋岩 译