ES32F36xx芯片发生HardFault异常时的函数调用关系及问题定位

cathy 发布于：周二, 06/20/2023 - 09:15 ，关键词：

1、引言

Cortex-M3微控制器因其功能强大、性价比高以及易用性好，在嵌入式体系结构中得到了广泛应用。然而，在实际开发过程中，如果程序很大或运行很久后可能会遇到HardFault异常。为了快速有效地解决HardFault异常，本文将讨论定位HardFault问题的方法。

2、常见引发HardFault原因

1）访问非法内存地址：编程中处理指针时可能导致访问未定义的内存地址，特别是在数组越界、非法指针解引用等情况下。

2）叠栈溢出：程序运行过程中如果栈溢出，会导致栈上数据错误，从而引发异常。

3）寄存器未正确初始化：寄存器配置和使用不正确，可能导致硬件异常。

4）除0运算：当程序试图执行除0运算时，可能发生硬件故障异常。

5）总线错误：外设总线通信发生错误，可能引起硬件故障。

3、软件触发HardFault异常

ES32F36xx是Cortex-M3内核，当被除数为0时，硬件将触发一个异常，导致系统进入Hard Fault异常状态。这种情况下，处理器不能正常运行，并且不能恢复，直到硬件或软件采取措施使得系统回到正常状态。在ES32_SDK中，ES32F36xx 的KEY_LED_ADC例程中增加如下程序：

// B函数
void B_Function(void)
{
    printf_e("Enter B function\r\n");
    C_Function(0);
    printf_e("Exit B function\r\n");
}
// A函数
void A_Function(void)
{
    printf_e("Enter A function\r\n");
    B_Function();
    printf_e("Exit A function\r\n");
}
// C函数
int C_Function(int val)
{
    return 100/val;
    }
// D函数
void D_Function(void)
{
    printf_e("Enter D function\r\n");
    C_Function(1);
    printf_e("Exit D function\r\n");
}
// TestDebug函数
void TestDebug(void)
{
    // 使能除0异常
volatile int *CCR = (volatile int *)0xE000ED14;
    *CCR |= (1 << 4);
    
    A_Function();
    D_Function();
}
// 主函数
int main(void)
{   
    uart_stdio_init();
    
    TestDebug();
    while(1);
}

如图 1所示，工程文件中，User选项中增加“fromelf -a -c --output=all.dis .\obj\out.axf“，生成汇编文件。

图1 MDK工程生成汇编文件配置

4、HardFault异常函数调用关系及问题定位

上述程序运行过程中会发生hardfault异常，发生hardfault异常瞬间，程序立刻中止运行，硬件自动保存“调用者保存寄存器“的值到栈，同时跳转到异常向量表执行异常处理函数。如图 2所示为发生异常瞬间，硬件自动保存xPSR、ReturnAddress、LR、R12、R3、R2、R1及R0寄存器。

图2 处理器进入异常时的栈帧

硬件仅保存了部分寄存器，为了保存发生异常瞬间所有寄存器值，程序跳转到中断向量处需要执行如下的汇编代码：

;get current context
    TST          lr, #0x04        ;if (!EXC_RETURN[2])
    ITE          EQ
    ;[2]=0 ==> Z=1, get fault context from handler
MRSEQ        r0, msp          
    ;[2]=1 ==> Z=0, get fault context from thread
MRSNE        r0, psp         
    
    STMFD        r0!, {r4 - r11}  ; push r4 - r11 register
    STMFD        r0!, {lr}         ; 将EXC_RETURN值压栈
    
    TST          lr, #0x04        ;if (!EXC_RETURN[2])
    ITE          EQ                 
; R0为栈值，作为hw_hardfault_exception函数首个参数
MSREQ        msp, r0
;[2]=1 ==> Z=0, get fault context from thread     
    MSRNE        psp, r0          
    
;再次将EXC_RETURN值压栈
    PUSH         {lr}              
    ;跳转至hw_hardfault_exception函数    
BL           hw_hardfault_exception 
    POP          {lr}
    ORR           lr, lr, #0x04
    BX            lr
    ENDP

上述汇编代码的主要功能是获取栈（SP）地址，并将R4 ~ R11压栈，跳转执行hw_hardfault_exception函数。压栈后栈中的数据情况如图 3所示：

图3 hardfault异常瞬间栈中完整寄存器

Return Address是发生异常指令点，LR是发生异常指令所在函数的下一条指令地址。在hw_hardfault_exception函数中将栈中的寄存器值都通过串口打印出来。

void hw_hardfault_exception(struct exception_info *exception_info)
{
    uint32_t *app_sp = NULL;
int i = 0;
/*sp指向发生hardfault前栈地址*/
    app_sp = (uint32_t *)(exception_info + 1);  /* context + 16*4 */
    
    printf_e("psr: 0x%08x\r\n", exception_info->psr);
    printf_e("r00: 0x%08x\r\n", exception_info->r0);
    printf_e("r01: 0x%08x\r\n", exception_info->r1);
    printf_e("r02: 0x%08x\r\n", exception_info->r2);
    printf_e("r03: 0x%08x\r\n", exception_info->r3);
    printf_e("r04: 0x%08x\r\n", exception_info->r4);
    printf_e("r05: 0x%08x\r\n", exception_info->r5);
    printf_e("r06: 0x%08x\r\n", exception_info->r6);
    printf_e("r07: 0x%08x\r\n", exception_info->r7);
    printf_e("r08: 0x%08x\r\n", exception_info->r8);
    printf_e("r09: 0x%08x\r\n", exception_info->r9);
    printf_e("r10: 0x%08x\r\n", exception_info->r10);
    printf_e("r11: 0x%08x\r\n", exception_info->r11);
    printf_e("r12: 0x%08x\r\n", exception_info->r12);
    printf_e(" lr: 0x%08x\r\n", exception_info->lr);
    printf_e(" pc: 0x%08x\r\n", exception_info->pc);
    
    printf_e("stacks: \r\n");
    
    for (i = 0; i < 1024; ++i)
    {
        printf_e("%08x ", *app_sp);
        app_sp++;
        ++i;
        if (i % 16 == 0)
            printf_e("\r\n");
    }
    printf_e("\r\n");
    while(1);
}

在hw_hardfault_handler函数中打印出了所有相关寄存器，如图 4所示：

图4 发生异常时栈数据

从打出来的返回地址值（PC）为0x00000644，在生成的all.dis汇编文件搜索该地址，如图 5所示，该地址是C_Function函数中的一个除法指令，R0寄存器值除以R1寄存器值，并将结果存放R0中。R0为0x64，确认R1寄存器值即可。

图5 发生hardfault异常瞬间执行的指令

图 4中，LR的值为0x0000060f，all.dis无法搜索到该地址。由于Cortex-M3使用的是Thumb指令集，bit0置位指示该地址地址指令是Thumb指令。bit0复位，搜索0x0000060e，如图 6所示，该地址在B_Function函数中。B_Function函数调用了C_Function函数，R0为传递的参数0。由此可知，图 5中，R1的除数值0，故程序会发生hardfault异常。