Cortex-M3开发经验：确定发生HardFault的地方

Posted 2021-12-18 无痕幽雨

Cortex-M3开发经验(二)：确定发生HardFault的地方
我们在调试时，最害怕就是出现HardFault错误了。因为我们不知道是从哪个地方跳到这里的？单步调试起来太过于麻烦，特别在代码量大的时候，更是费时间。

那么有没有一种方法，可以快速定位到发生HardFault错误的代码位置（函数）呢？Cortex-M3中断/异常的响应过程我们知道，HardFault实质上是一个中断，中断的过程如下图：
 

在这里我就有一个疑问了：既然FUNC1和IRQ_Handler之间不存在调用关系，那IRQ_Handler运行完之后怎么返回到FUNC1中去的呢？

中断/异常响应原理：当Cortex-M3响应一个中断时，会在它体内奔涌起三股暗流：

1.入栈：吧8个寄存器（R0～R3,R12,LR,PC,xPSR）的值压入栈中;

2.取向量：从向量表中找出对应的中断服务程序入口地址（函数指针的原理）;

3.更新PC指针，堆栈指针SP，连接寄存器LR的值。

摘自《ARM Cortex M3权威指南》

明白原理后，就好办了。那么我们在HardFault函数中打一個断点，在他刚进入中断时，内核寄存器的值，就是保存发生中断那一刻的值。我们就可以通过这些值，得到发送错误的位置。

通过响应中断保存的寄存器查找问题

下图是出现错误时状态：

 我们关注SP寄存器的值：0x2000FFAC，我们再查看SP地址附近所对应的值。

address	value
0x2000FFAC	0x2000FFD0
0x2000FFB0	0x0000000D
0x2000FFB4	0x00000000
0x2000FFB8	0x00000000
0x2000FFBC	0x0001F204
0x2000FFC0	0xA5A5A5A5
0x2000FFC4	0x0001F239
0x2000FFC8	0x0001F204
0x2000FFCC	0x00000000
0x2000FFD0	0x8000000C

我们需要的是PC和LR的值，因为这两个寄存器代表的是：PC代表当前执行位置，LR代表返回地址。

从栈空间我们可以得知：PC的值为0x0001F204, LR的值为0x1F239。

怎么找的？
很简单，我们知道进入中断处理函数后，内核依次将xPSR，PC，LR，R12，R3，R2，R1，R0的顺序入栈。（至于为什么是这个顺序，请看Cortex-M3权威指南）。然后我们需要知道栈的操作方式（满减，空减，满增，空增），而Cortex-M3属于满减栈，就是堆栈指针指向最后一个被压入堆栈的32位数值；PUSH压栈时，SP先自减4，再存入新值，POP出栈时相反，先从SP指针处读出上次被压入堆栈的值，SP再自增4。

所以我们要从0x2000FFD0开始看起，PC跟LR是第二跟第三入栈的。所以就是0x2000FFC8和0x2000FFC4对应的值。

发生HardFault时，PC正在执行0x1F204地址的指令，LR是准备返回的地址0x1F239。

怎么看这两个地址所在的函数？
有两个方法：

1.看编译器生成的map文件。

2.使用编译工具链的addr2line，如下：

arm-none-eabi-addr2line 1f204 -f -e xxxx.elf	（烧录文件）
>fp_test	（函数名）
>..../main.c:129	（对应文件及行号）

arm-none-eabi-addr2line 1f239 -f -e xxxx.elf
>test
>..../main.c:142

Cortex-M3开发经验(三)：在HardFault中打印栈信息
在《Cortex-M3开发经验(二)：确认发生HardFault的地方》中，我们提到如何查找出错地方。但是这有一个问题，就是必须链接调试器。那么在某些情况下，我们无法连接调试器，那么就无法读取到栈信息了吗？我们可以在进入HardFault时，获取栈指针，然后通过串口的方式打印出来吗？

说干就干，有好的想法，也必须有实际的行动验证自己的想法。

如何获取栈指针？
卡住我们的第一个问题就是如何获取栈指针了。就是如何获取SP，MSP(主堆栈指针)，PSP(进程堆栈指针)的值了。
 

 在《Cortex-M3权威指南》中，有这么一段话：CM3微控制器内核中共有两个堆栈指针，于是也就是支持两个堆栈，当引用R13（写作SP）时，引用到的是当前正在使用的那一個（MSP或PSP），另一个必须用特殊的指令来访问（MRS和MSR指令）。

 也就是说，我们需要用汇编的指令来获取栈指针。

uint32_t get_msp_addr()

    __asm("mrs r0, msp");
    __asm("bx lr");


uint32_t get_psp_addr()

    __asm("mrs r0, psp");
    __asm("bx lr");


uint32_t get_sp_addr()

    __asm("mov r0, sp");
    __asm("bx lr");

注：每个编译器所支持C嵌入汇编的方式不同，也可能一些编译器不支持__asm指令。

通过栈指针获取内核寄存器的值

uint32_t reg_buff[10];
uint32_t *sp = NULL;

void HardFault_Handler()

    sp = (uint32_t*)get_msp_addr();
    reg_buff[0] = *(sp++);
    reg_buff[1] = *(sp++);
    reg_buff[2] = *(sp++);
    reg_buff[3] = *(sp++);
    reg_buff[4] = *(sp++);
    reg_buff[5] = *(sp++);
    reg_buff[6] = *(sp++);
    reg_buff[7] = *(sp++);
    reg_buff[8] = *(sp++);
    reg_buff[9] = *(sp++);
    while(1)

编译，运行！

结果有点意料之外！

LR的值和PC的值跟我们之前单步调试的不一样！偏移了12个字节。为什么？后面单步看了一下后发现，我们在HardFault中调用了get_msp_addr这个函数，而调用函数就意味着使用栈空间。如果我把reg_buff放到HardFault中，这样就不止偏移12个字节了！

有没有更好的方法啊！？

我们在进入HardFault_Handler函数之前就获取SP指针的值，并作为参数传入到HardFault_Handler中不就可以了吗？

谁在调用中断处理函数？
要解决上面的问题，我们就需要知道内核在哪里调用中断函数的，这样我们才能修改对应的中断处理函数，使其可以接收参数。

《Cortex-M3开发经验(二)：确认发生HardFault的地方》中，我们提到过，在发生中断/异常时，内核会去中断向量表中找到对应的中断，找到中断的入口地址。那么我们就看看中断向量表在哪？

最终，在startup_xxx.S文件中找到了向量表的定义。我们也找到了HardFault_Handler的定义
 

.weak	HardFault_Handler
.type	HardFault_Handler, %function

HardFault_Handler:
	B .

虽然可能不了解汇编，不知道什么意思，但也能猜测出大概的意思，也可能查资料。发现B是跳转指令，这应该就是跳转到同名的C函数中。那么我们可以修改为：

这样就吧LR的值和SP的值传入到hardfault_handler函数中去了。

编译，运行！

这次的结果就是我们想要的了。

1、这是一个启动文件，里面包含了该芯片启动需要的一些过程。 ↩︎

2、R0~R3寄存器保存的是函数调用时所传入的参数，同时也可作为函数返回值。hardfault_handler定义如下：void hardfault_handler(uint32_t lr, uint32_t sp) ↩︎
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