AT32講堂009 | 基于CmBacktrace庫(kù)，如何快速追蹤和定位產(chǎn)生HardFault的原因

概述

在使用ARM Cortex-M系列MCU時(shí)（如AT32 MCU），有時(shí)會(huì)出現(xiàn)程序運(yùn)行異常。當(dāng)通過(guò)編譯器在debug模式查原因時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)程序跑到HardFault_Handler函數(shù)中，產(chǎn)生HardFault，即硬件錯(cuò)誤。

圖1. HardFault_Handler函數(shù)

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

HardFault產(chǎn)生原因

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

數(shù)組越界操作；

內(nèi)存溢出，訪問(wèn)越界；

堆棧溢出，程序跑飛；

中斷處理錯(cuò)誤。

數(shù)組越界

程序中使用了靜態(tài)數(shù)組，而在動(dòng)態(tài)傳參時(shí)數(shù)組賦值溢出?；蛘邉?dòng)態(tài)分配內(nèi)存太小，導(dǎo)致程序異常。

內(nèi)存溢出

重點(diǎn)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(dòng)態(tài)數(shù)組傳參時(shí)會(huì)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(qǐng)的堆?？臻g中。

例如FreeRTOS中調(diào)用xTaskCreate來(lái)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(huì)堆棧申請(qǐng)不足，進(jìn)入HardFault。

中斷處理異常

程序中開(kāi)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(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)，則可能會(huì)出現(xiàn)該異常。

HardFault分析方法

常見(jiàn)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(shí)，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(duì)ARM內(nèi)核比較熟悉，且操作較為繁瑣。

以下重點(diǎn)介紹采用開(kāi)源庫(kù)CmBacktrace作為快速分析的方法。

基于CmBacktrace庫(kù)分析方法

CmBacktrace（Cortex Microcontroller Backtrace）是一款針對(duì)ARM Cortex-M系列MCU的錯(cuò)誤代碼自動(dòng)追蹤、定位，錯(cuò)誤原因自動(dòng)分析的開(kāi)源庫(kù)。主要特性如下：

支持的錯(cuò)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(dòng)診斷：可在故障發(fā)生時(shí)，自動(dòng)分析出故障的原因，定位發(fā)生故障的代碼位置，而無(wú)需再手動(dòng)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(kù)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(kù)文件到MDK中

圖2. cm_backtrace庫(kù)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(shí)候編譯有一個(gè)錯(cuò)誤，這是因?yàn)閏mb_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(bào)錯(cuò)

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(cè)試與查看

這時(shí)候就可以編譯通過(guò)了。下面測(cè)試這個(gè)庫(kù)的功能。

測(cè)試函數(shù)如下：

圖8. 編寫(xiě)除零錯(cuò)誤函數(shù)

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

圖9. main函數(shù)調(diào)用除零錯(cuò)誤函數(shù)

下載運(yùn)行程序，PC端接收串口信息：

圖10. 串口助手輸出錯(cuò)誤信息

可以看到，列出了出錯(cuò)原因（除0）和一條命令。運(yùn)行這個(gè)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(gè)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(yùn)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(yùn)行addr2line.exe工具

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

圖14. 確認(rèn)錯(cuò)誤代碼區(qū)域

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

可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)的行號(hào)正是出錯(cuò)的地方，使用這個(gè)CmBacktrace庫(kù)能幫助用戶有效、快速地定位到HardFault之類(lèi)的錯(cuò)誤。

案例展示

案例一 無(wú)OS除零錯(cuò)誤

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

測(cè)試內(nèi)容：在裸機(jī)上除零錯(cuò)誤

案例二 FreeRTOS上除零錯(cuò)誤

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

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

案例三 USOCⅢ上非對(duì)齊訪問(wèn)錯(cuò)誤

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

測(cè)試內(nèi)容：在UCOSⅢ上非對(duì)齊訪問(wèn)錯(cuò)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(dòng)全球市場(chǎng)32位微控制器(MCU)創(chuàng)新趨勢(shì)的芯片設(shè)計(jì)公司，專(zhuān)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(yùn)算效能，并支持工業(yè)級(jí)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(wú)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(jìng)周邊市場(chǎng)、斷路器、ADAS、T-BOX、數(shù)字電源、電動(dòng)工具等終端設(shè)備應(yīng)用，廣泛地覆蓋5G、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)、商務(wù)及工控等領(lǐng)域。