概述

在使用ARM Cortex-M系列MCU時（如AT32 MCU），有時會出現(xiàn)程序運行異常。當(dāng)通過編譯器在debug模式查原因時，會發(fā)現(xiàn)程序跑到HardFault_Handler函數(shù)中，產(chǎn)生HardFault，即硬件錯誤。

圖1. HardFault_Handler函數(shù)

本文檔主要介紹一種基于CmBacktrace庫，快速追蹤和定位產(chǎn)生HardFault原因的方法。

HardFault產(chǎn)生原因

常見產(chǎn)生HardFault產(chǎn)生的原因大概有如下幾類：

數(shù)組越界操作；

內(nèi)存溢出，訪問越界；

堆棧溢出，程序跑飛；

中斷處理錯誤。

數(shù)組越界

程序中使用了靜態(tài)數(shù)組，而在動態(tài)傳參時數(shù)組賦值溢出。或者動態(tài)分配內(nèi)存太小，導(dǎo)致程序異常。

內(nèi)存溢出

重點檢查RAM區(qū)域，程序編譯后執(zhí)行的RAM數(shù)據(jù)量大小為多少是否可能越界。一般不要設(shè)置到極致的情況，程序中的一些動態(tài)數(shù)組傳參時會導(dǎo)致異常。

堆棧溢出

這在使用操作系統(tǒng)的代碼中尤其容易發(fā)生，在操作系統(tǒng)中，任務(wù)的變量均分配放置在任務(wù)所申請的堆棧空間中。

例如FreeRTOS中調(diào)用xTaskCreate來創(chuàng)建任務(wù)，該函數(shù)以參數(shù)usStackDepth指定任務(wù)堆棧的大小，如果指定的堆棧太小，則會堆棧申請不足，進(jìn)入HardFault。

中斷處理異常

程序中開啟了某些中斷，例如USART,TIMER,RTC等。

但在程序執(zhí)行中，滿足中斷條件，但并未能查找到該部分對應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)，則可能會出現(xiàn)該異常。

HardFault分析方法

常見的分析方法是：發(fā)生異常之后可首先查看LR寄存器中的值，確定當(dāng)前使用堆棧為MSP或PSP，然后找到相應(yīng)堆棧的指針，并在內(nèi)存中查看相應(yīng)堆棧里的內(nèi)容。由于異常發(fā)生時，內(nèi)核將R0~R3、R12 Returnaddress、PSR、LR寄存器依次入棧，其中Return address即為發(fā)生異常前PC將要執(zhí)行的下一條指令地址。

但以上方法要求對ARM內(nèi)核比較熟悉，且操作較為繁瑣。

以下重點介紹采用開源庫CmBacktrace作為快速分析的方法。

基于CmBacktrace庫分析方法

CmBacktrace（Cortex Microcontroller Backtrace）是一款針對ARM Cortex-M系列MCU的錯誤代碼自動追蹤、定位，錯誤原因自動分析的開源庫。主要特性如下：

支持的錯誤包括：

1) 斷言（Assert）

2) 故障（Hard Fault, Memory Management Fault, Bus Fault, Usage Fault, Debug Fault）

故障原因自動診斷：可在故障發(fā)生時，自動分析出故障的原因，定位發(fā)生故障的代碼位置，而無需再手動分析繁雜的故障寄存器；

適配Cortex-M0/M3/M4/M7 MCU；

支持IAR、KEIL、GCC編譯器；

支持FreeRTOS、UCOSII、UCOSIII、RT-Thread等OS；

基于MDK的CmBacktrace庫使用流程

基于MDK的移植方法按如下步驟進(jìn)行：

步驟一 添加cm_backtrace庫文件到MDK中

圖2. cm_backtrace庫文件夾

把cm_backtrace文件夾復(fù)制到我們的工程目錄下，并添加至keil工程中。

圖3. 添加cm_backtrace后keil工程目錄

步驟二 添加頭文件、勾選C99模式

圖4. Keil中配置C99和頭文件

步驟三 編譯和調(diào)試

首先，cmb_cfg.h文件按以下提示配置修改。

圖5. cmb_cfg.h文件配置

這時候編譯有一個錯誤，這是因為cmb_fault.c與at32f4xx_int.c中的HardFault_Handler函數(shù)重復(fù)定義：

圖6. at32f4xx_it.c編譯報錯

需要把a(bǔ)t32f4xx_int.c中的HardFault_Handler函數(shù)屏蔽掉。

圖7. HardFault_Handler函數(shù)屏蔽

步驟四 測試與查看

這時候就可以編譯通過了。下面測試這個庫的功能。

測試函數(shù)如下：

圖8. 編寫除零錯誤函數(shù)

然后在主函數(shù)中調(diào)用cm_backtrace_init()；來初始化cm_backtrace，并調(diào)用該測試函數(shù)：

圖9. main函數(shù)調(diào)用除零錯誤函數(shù)

下載運行程序，PC端接收串口信息：

圖10. 串口助手輸出錯誤信息

可以看到，列出了出錯原因（除0）和一條命令。運行這個命令需要用到addr2line.exe工具，該工具在tools文件夾中：

圖11. 定位addr2line.exe位置

有32bit和64bit兩個版本，根據(jù)環(huán)境選擇，并拷貝到keil工程目錄下的.axf文件所在的文件夾中，如demo中所附工程，則拷貝到如下目錄：

AN0028_SourceCode_V2.0.0\utilities\AN0028_demo\non_os\mdk_v5\objects

圖12. 拷貝addr2line.exe工具

進(jìn)入到cmd窗口，轉(zhuǎn)到上述文件夾位置，運行串口助手中的那條命令：

addr2line -e CmBacktrace(此處要依據(jù)用戶的工程名修改).axf -a -f 080019c6 08001ae9

如demo中工程名為printf，命令則應(yīng)修改為addr2line -e printf.axf -a -f 080019c6 08001ae9

圖13. 調(diào)用CMD運行addr2line.exe工具

可以看到addr2line.exe工具定位出了錯誤相關(guān)的代碼行號，查看對應(yīng)行的代碼：

圖14. 確認(rèn)錯誤代碼區(qū)域

可以看到addr2line.exe工具定位出了錯誤相關(guān)的代碼行號，main.c的第60行，fault_test.c的第38行，查看對應(yīng)行的代碼：

可見，對應(yīng)的行號正是出錯的地方，使用這個CmBacktrace庫能幫助用戶有效、快速地定位到HardFault之類的錯誤。

案例展示

案例一 無OS除零錯誤

工程位置：AN0028_SourceCode_V2.0.0\utilities\AN0028_demo\non_os

測試內(nèi)容：在裸機(jī)上除零錯誤

案例二 FreeRTOS上除零錯誤

工程位置：AN0028_SourceCode_V2.0.0\utilities\AN0028_demo\os\freertos

測試內(nèi)容：在FreeROTOS上除零錯誤，需注意tasks.c中有注釋/**/的三處為針對CmBacktrace做出的修改

案例三 USOCⅢ上非對齊訪問錯誤

工程位置：AN0028_SourceCode_V2.0.0\utilities\AN0028_demo\os\ucosiii

測試內(nèi)容：在UCOSⅢ上非對齊訪問錯誤，需注意os_cfg.h中#define OS_CFG_DBG_EN為1u

關(guān)于雅特力雅特力科技于2016年成立，是一家致力于推動全球市場32位微控制器(MCU)創(chuàng)新趨勢的芯片設(shè)計公司，專注于ARM Cortex-M4/M0+的32位微控制器研發(fā)與創(chuàng)新，全系列采用55nm先進(jìn)工藝及ARM Cortex-M4高效能或M0+低功耗內(nèi)核，締造M4業(yè)界最高主頻288MHz運算效能，并支持工業(yè)級別芯片工作溫度范圍（-40°~105°）。雅特力目前已累積相當(dāng)多元的終端產(chǎn)品成功案例：如微型打印機(jī)、掃地機(jī)、光流無人機(jī)、熱成像儀、激光雷達(dá)、工業(yè)縫紉機(jī)、伺服驅(qū)控、電競周邊市場、斷路器、ADAS、T-BOX、數(shù)字電源、電動工具等終端設(shè)備應(yīng)用，廣泛地覆蓋5G、物聯(lián)網(wǎng)、消費、商務(wù)及工控等領(lǐng)域。