嵌入式 HardFault原因定位

4.hardfault除錯總結

在linux下出現程式跑飛時，如段錯誤(segment fault)，往往可以借助coredump結合gdb快速定位引起段錯誤的程式。而在微控制器除錯時，發生類似段錯誤時會進入硬體錯誤hardfault，引發hardfault異常中斷，以stm32f4系列為例，當發生hardfault異常時會進入如下中斷服務函式，在除錯階段失能看門狗的情形下，將會進入死迴圈。

void hardfault_handler(void)
}

hardfault的主要誘因與段錯誤非常相似，總結大致如以下幾點：

1.陣列越界，記憶體溢位；

2.指標使用錯誤，如使用、釋放未申請的空間；

3.堆疊空間不足，在微控制器裡也就是可用ram空間不足；

明白了以上幾個誘因後，一方面在寫程式時要盡量避免以上錯誤。但常在河邊走哪有不濕鞋，一旦發生了hardfault，如何快速定位就顯得極為重要了。

某專案驗證階段，驅動spi時使用的官方hal庫函式，發現當程式執行1到2個小時後，會莫名進入hardfault中斷服務函式。

可以在其中斷服務函式中的while(1)上打斷點，當發生hardfault後，觀察call stack(函式呼叫棧)來觀察程式是如何一步步跑到hardfault裡的。一般情況下，通過觀察call stack就能夠定位到引發hardfault的程式語句了。以我的程式為例，發現進入hardfault前，上一條語句如下：

/* check if the spi is already enabled */
if((hspi->instance->cr1 & spi_cr1_spe) != spi_cr1_spe)

是hal_spi_transmitreceive函式裡的一句，看到這裡，基本就可以猜出是指標使用錯誤導致的了，問題一定在hspi->instance->cr1這句上，那麼hspi、instance、cr1，一定有乙個出了問題，此時需要慢慢排查。

通過觀察這幾個指標後，發現instance存在問題，instance為spi初始化時的spi裝置，如下所示：

void mx_spi1_init(void)

在初始化spi1時， hspi1.instance應為0x40013000，而發生hardfault時，其值變成了乙個亂七八糟的值。作為在ram中存放的hspi1結構體全域性變數，他裡邊的值instance發生了莫名其妙的改變，大概率發生了ram衝記憶體的現象。

一般情況下，在eeprom、flash中發生衝記憶體時，有可能是寫的時候長度越界，也有可能是寫位址錯誤。而在全域性ram中發生衝記憶體，十有**是操作存在hspi1前邊的全域性變數時發生了越界，導致把hspi1的記憶體給衝了。那麼如何知道ram中存在hspi1前邊的變數是什麼呢？這時就要map檔案出場了。

開啟編譯生成的map檔案，觀察各全域性變數在ram中的存放，以發現hspi1變數前存的是什麼，定位如下：

clrirq                  0x800'195f    0x12  code  gb  comm_exit_irq.o [1]
hspi1                   0x2000'62fc    0x58  data  gb  spi.o [1]
hspi2                   0x2000'6354    0x58  data  gb  spi.o [1]
hspi3                   0x2000'63ac    0x58  data  gb  spi.o [1]

發現hspi1的前邊是名為errcheck的變數，存放位址為0x2000623c，占用長度為0xcc。那就去程式中檢查errcheck的相關操作，這次問題一眼看出來了——陣列越界。導致操作errcheck時一不留神操作到hspi1所在的記憶體區域了，導致instance指標存了個亂值，指向一片未申請的記憶體，那麼使用instance時必然會導致hardfault。

可以看到，除錯hardfault時主要步驟如下：

1.在hardfault中斷函式中打斷點；

2.檢視call stack定位跑飛前的語句；

3.分析有無陣列越界、記憶體溢位、指標誤操作的情況，並借助map檔案對記憶體進行分析，揪出真兇。

然而，存在一種情況，那就是跑到hardfault中斷函式裡的斷點時，檢視call stack時一片空白，這時如何定位跑飛前的語句呢？

這時就要用到cpu的sp暫存器，根據異常壓棧流程反推出lr暫存器，那麼lr對應的彙編指令就是跑飛前的程式。

以stm32f4為例，其基於cortex-m4核心。進入到hardfault中斷時，檢視堆疊指標sp，然後根據《cortex-m3/m4權威指南》，得出異常壓棧順序為r0、r1、r2、r3、r12、lr。此時sp暫存器中存的位址指向棧頂r0，那麼將sp暫存器中的位址加5*4=20，即為lr暫存器的位址，在memory視窗中檢視此位址存的值，即為hardfault前的語句位址0x8000282，到彙編視窗中即可檢視相應的彙編指令，以及對應的c語言語句。

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