ES32F36xx芯片发生HardFault异常时的函数调用关系及问题定位

Part1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。

Part2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。

Part3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
voidB_Function(void)
{
printf_e("EnterBfunction
");
C_Function(0);
printf_e("ExitBfunction
");
}
//A函数
voidA_Function(void)
{
printf_e("EnterAfunction
");
B_Function();
printf_e("ExitAfunction
");
}
//C函数
intC_Function(intval)
{
return100/val;
}
//D函数
voidD_Function(void)
{
printf_e("EnterDfunction
");
C_Function(1);
printf_e("ExitDfunction
");
}
//TestDebug函数
voidTestDebug(void)
{
//使能除0异常
volatileint*CCR=(volatileint*)0xE000ED14;
*CCR|=(1<< 4);

A_Function();
D_Function();
}
//主函数
intmain(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 .objout.axf“，生成汇编文件。

图1 MDK工程生成汇编文件配置

Part4HardFault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：

;getcurrentcontext
TSTlr,#0x04;if(!EXC_RETURN[2])
ITEEQ
;[2]=0==>Z=1,getfaultcontextfromhandler
MRSEQr0,msp
;[2]=1==>Z=0,getfaultcontextfromthread
MRSNEr0,psp

STMFDr0!,{r4-r11};pushr4-r11register
STMFDr0!,{lr};将EXC_RETURN值压栈

TSTlr,#0x04;if(!EXC_RETURN[2])
ITEEQ
;R0为栈值，作为hw_hardfault_exception函数首个参数
MSREQmsp,r0
;[2]=1==>Z=0,getfaultcontextfromthread
MSRNEpsp,r0

;再次将EXC_RETURN值压栈
PUSH{lr}
;跳转至hw_hardfault_exception函数
BLhw_hardfault_exception
POP{lr}
ORRlr,lr,#0x04
BXlr
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。

voidhw_hardfault_exception(structexception_info*exception_info)
{
uint32_t*app_sp=NULL;
inti=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
",exception_info->psr);
printf_e("r00:0x%08x
",exception_info->r0);
printf_e("r01:0x%08x
",exception_info->r1);
printf_e("r02:0x%08x
",exception_info->r2);
printf_e("r03:0x%08x
",exception_info->r3);
printf_e("r04:0x%08x
",exception_info->r4);
printf_e("r05:0x%08x
",exception_info->r5);
printf_e("r06:0x%08x
",exception_info->r6);
printf_e("r07:0x%08x
",exception_info->r7);
printf_e("r08:0x%08x
",exception_info->r8);
printf_e("r09:0x%08x
",exception_info->r9);
printf_e("r10:0x%08x
",exception_info->r10);
printf_e("r11:0x%08x
",exception_info->r11);
printf_e("r12:0x%08x
",exception_info->r12);
printf_e("lr:0x%08x
",exception_info->lr);
printf_e("pc:0x%08x
",exception_info->pc);

printf_e("stacks:
");

for(i=0;i< 1024; ++i)
    {
        printf_e("%08x",*app_sp);
app_sp++;
++i;
if(i%16==0)
printf_e("
");
}
printf_e("
");
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。

图6 B_Function函数的汇编代码

图 6中，调用C_Function函数前，R4和LR寄存器被压入了栈中。即图 7中，LR的值为0x000005D1，R4的值为0xe000ed14。

图 7 B_Function函数压栈值

如图 8所示，在all.dis文件搜索0x000005D0地址在A_Function函数中，在执行A_Function函数前，对R4和LR进行了压栈。A_Function函数调用了B_Function函数。

图 8 A_Function函数汇编代码

如图 9所示，A_Function函数压入的R4值为0xe000ed14，LR值为0x000006a1。

图 9 A_Function函数压栈值

如图 10，在all.dis文件中，搜索0x000006a0，发现该地址在TestDebug函数中，且该函数将R4和LR压入栈中。

图 10 TestDebug函数汇编代码

如图 11所示，A_Function函数压入的R4值为0xe0001c18，LR值为0x00001ab9。

图 11 TestDebug函数压栈值

如图 12所示，在all.dis文件中，搜索0x00001ab8，该地址在main函数中。

图 12 main函数的汇编代码

至此，如图 13所示为发生hardfault异常时函数的调用关系，在C_Function函数中，被除数为0是导致进入hardfault异常的原因。

图 13 发生hardfault时的函数调用关系