本帖最后由 luobeihai 于 2024-11-23 20:12 编辑
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最近在使用Geehy的芯片进行开发过程中，遇到了无法使用在线调试仿真的情况下，去分析开发过程中遇到的HardFault异常。于是，在解决问题的过程中，解锁了不用在线仿真的情况下，也可以对HardFault进行错误定位分析。
1. 内核异常与xPSR
1.1 内核异常
Cortex-M 内核的MCU，异常架构支持多种内核异常和外部中断，编号 1-15 的为系统异常，16 及以上的则为外部中断。
下表是Cortext-M的内核异常，可以看到我们将要分析的Hardfault异常，其编号是3。
HardFault 异常是无需使能，它有固定的异常优先级-1。当用户没有去使能 MemManage/Bus/Usage这三种Fault时，那么如果发生了这三种错误的话，都会触发Hardfault异常中断。
如果用户要使能MemManage/Bus/Usage这三种Fault，可以在芯片上电启动时进行配置。
SCB->SHCSR |= 0x00007000;
不过在大多数情况下，用户不会对使能这些异常，也就是说发生这些错误基本都是响应Hardfault中断服务函数。
1.2 xPSR
我们如何知道当前执行的中断是Hardfault中断？这就需要了解xPSR，即程序状态寄存器了。
程序状态寄存器(Program Status Register)一共涉及到三个寄存器，分别为：Application PSR(APSR)、Execution PSR(EPSR)和Interrupt PSR(IPSR)。如下所示， 这三个寄存器可以组合为一个寄存器一起访问，标记为xPSR。
程序状态寄存器的位定义如下： N: 负数标识位(Negative flag) Z: 零标识位(Zero flag) C: 进位或者无借位标识位(Carry or NOT borrow flag) V: 溢出标识位(Overflow flag) Q: Sticky saturation flag GE: 大于等于标识位(Greater-Than or Equal flags for each byte lane) ICT/IT: Interrupt-Continuable Instruction(ICT)bits, IF-THEN instruction status bit for conditional execution. T: Thumb状态标识位，始终为1；尝试清除该位将触发一个错误异常。 Exception Number: 异常代号，标志着正在处理的异常。
所以，我们通过通过程序状态寄存器的bit[0:8]位，可以得知当前执行的中断服务函数是否位Hardfault（如何才能获取xPSR寄存器的值，下面会进行介绍）。
2. 栈帧与内核寄存器
在异常入口处被压人栈空间的数据块为栈帧。
对于Cortex-M内核的处理器，如果不具有浮点单元的话，那么栈帧都是8个字（1个字32bit）大小的；而如果具有浮点单元的话，那么栈帧可能是8或者26个字。 处理器在运行程序过程中，当被中断打断了当前执行的程序，跳转到执行中断服务程序之前，会将PC、LR寄存器，还有一些通用寄存器压入栈中（PUSH），这就是保存现场。当中断服务函数处理完之后，又会将原来压栈的数据，从栈中恢复到内核寄存器（POP），这就是恢复现场。
大部分情况下，都是保存8个字的栈帧，那么一般都是保存如下图内核寄存器的值：
也就是说，跳到中断服务函数之前，压栈的内核寄存器，从低地址到高地址依次有：R0/R1/R2/R3/R12/LR/PC/xPSR，共8个内核寄存器。 压栈的内核寄存器一共有8个，这里Cortex-M内核手册说会有返回地址压栈，这个返回地址保存的其实就是执行了这条指令后触发了中断，然后保存的这条指令的地址。
3. 如何使用调试器定位错误代码
下面介绍不使用在线仿真的情况下，只使用调试器如何进行Hardfault分析。
这里以Jlink调试器为例，如果大家对Jlink调试器的一些命令不熟悉的话，可以参考下网上的资源。或者这篇博文：https://blog.csdn.net/qq_30095921/article/details/128311887
对于Jlink命令行的使用这篇文章介绍的已经非常的详细了。
3.1 获取内核寄存器
1、打开Jlink Commander，输入下面命令连接到芯片。
2、输入h命令获取内核寄存器
3.2 如何判断当前是否触发Hardfault
我们前面就已经介绍过，xPSR寄存器的低9bit的值，存放这当前中断的编号。所以上面通过Jlink获取到内核寄存器的xPSR的值之后，即可判断到其是否触发了Hardfault异常（中断编号3）。
3.3 分析定位错误代码的原理
前面我们已经知道，压栈的内核寄存器有8个。而且上面获取到了内核寄存器的值之后，有一个SP的值。我们通过读取SP所执行的栈空间，就可以获取到产生Hardfault错误之前，8个内核寄存器的状态。
根据上图通过mem32命令，读取SP指针指向的地址0x20000420，8个字的栈数据，其内核寄存器值和对应的栈地址如下表：
 其中最重要的就是LR和PC的值，我们通过LR可以知道跳转到Hardfault中断服务函数之前，下一条指令的地址；而通过PC值，可以知道执行了那一条指令地址导致的Hardfault异常。然后我们再结合编译生成的.map文件，或者反汇编文件知道各个函数的地址，我们就可以明确的确定具体是哪条指令导致的Hardfault异常了。
4. 案例分析
下面通过几个案例进行分析，可以理解的比较深刻。
4.1 非法地址访问
1、在main函数中故意调用下面这个函数访问0x12345678的非法地址。
void illegal_address_access(void)
{
uint32_t temp = 0;
temp = *(uint32_t *)0x12345678;
}
2、执行代码触发Hardfault错误之后，我们通过Jlink获取内核寄存器值。
其中最重要的LR值是0x08000D4B，PC值是0x08000D00 。
3、通过生成的反汇编代码（或者.map文件），我们去搜索这两个地址值，或者搜索到与之相近的地址值，然后就可以确定具体出错的是那个函数，哪条语句。
所以可以确定导致Hardfault错误的函数是：illegal_address_access 。
4.2 非法函数调用
1、故意调用下面的非法函数。
void illegal_function_call(void)
{
void (*pFunc)(void);
pFunc = (void (*)(void))0x08FFAAAA;
pFunc(); // 通过函数指针调用非法函数
}
2、通过Jlink获取内核寄存器值。
3、搜索反汇编代码的0x08000D03（LR）和0x08FFAAAA（PC）地址值，确定代码出错的函数和位置。
通过分析可以确定是 illegal_function_call 这个函数导致的 Hardfault 错误。是因为 BLX r4 这条指令，跳转到了一个非法地址 0x08FFAAAA 。
这里这条指令的地址是0x08000D00，但是为什么栈帧里面的压栈数据，PC值不是这条指令的地址呢？这是因为BLX跳转指令，会把跳转的地址0x08FFAAAA赋值给PC，所以栈帧里面记录的不是跳转指令的地址值，而是要跳转的地址值，即0x08FFAAAA（这一点对于我最近做的项目很有用，终于搞清楚了是什么原因导致的Hardfault问题）。
为了方便大家分析，下面附件是这两个案例的工程代码。
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不进行在线仿真，通过调试器的命令进行Hardfault问题的定位和分析。