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stm32 hard fault及堆栈探究

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energy1|  楼主 | 2015-3-28 21:41 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
hard fault
在调试RTC过程中,程序在主循环中执行两次后就进入hard fault的while(1)中断,keil显示调试窗口显示imprecise data bus error。完善RTC配置的时序也无济于事。网上查到一些hard fault的资料:
<STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual>2.3.2对hard fault, bus fault等有具体的解释。keil的网站上http://www.keil.com/appnotes/files/apnt209.pdf也有概括性的解释:hard fault由bus fault, memory management fault或usage fault引起,前者有固定的仅次于NMI的高优先级;调试过程中出现的bus error属于bus fault,是取指或取值时的内存错误。ST论坛上对于hard fault的讨论,大牛们说:
是由于读写了一个非法位置,
“100% of the hard faults I've had are caused by variables accessing out of bounds. ”,
"The Cortex-M3 pushes fault context on to the stack (some 8 dwords as I recall), I think Joseph Yiu has some example of instrumenting this. This could should permit you to determine the faulting PC. With this and the register info, and a map file you should be able to zero in on what is going on.
                MRS     R0, PSP         ; Read PSP
                LDR     R1, [R0, #24]    ; Read Saved PC from Stack" 能看到出错的PC值倒是一个很方便的事情,不过还没试过。
论坛里大家都说到了Joseph Yiu,哪天要好好拜读一下他的CortexM3权威指南。

回头看自己的程序,从最简逻辑开始烧写运行,发现当增加到在Time_Display()时进入了hard fault。检查代码,函数中定义了一个char类型数组,用于存放需要显示到LCD上的时间字符串,但数组长度小于字符串长度。增大长度,就解决了问题。果然如大牛们所说,问题存在于数组越界。

之前我也犯过类似错误,可当时的现象是,串口实际发出的数据和数组中的数据相比,后半部分时对时错。当时的变量为全局变量,此处变量为局部变量。查到如下说明:“一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分: 1、栈区(stack)— 由编译器自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。2、堆区(heap) — 一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式倒是类似于链表,呵呵。3、全局区(静态区)(static)—,全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域, 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 - 程序结束后有系统释放. 4、文字常量区—常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放. 5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。”全局变量储存在全局区,它的越界将影响其他变量的值,对程序运行不会有致命影响。局部变量在栈中,同时入栈的还有函数的回退地址,函数参数等。本次出现问题的代码段为:

[cpp] view plaincopy


  • void Time_Show(void)  
  • {  
  •     while (1)  
  •     {  
  •         /* If 1s has been elapased */  
  •         if (TimeDisplay == 1)  
  •         {  
  •             uint32_t Counter = 0;  
  •             Counter = RTC_GetCounter();  
  •             Time_Display(Counter);  
  •             TimeDisplay = 0;  
  •         }  
  •     }  
  • }  
  •   
  • void Time_Display(uint32_t TimeVar)  
  • {  
  •     uint32_t THH = 0, TMM = 0, TSS = 0;  
  •     char buf[10];  
  •     /* Reset RTC Counter when Time is 23:59:59 */  
  •     if (TimeVar == 0x0001517F)  
  •     {  
  •         RTC_WaitForLastTask();  
  •         RTC_SetCounter(0x0);  
  •         /* Wait until last write operation on RTC registers has finished */  
  •         RTC_WaitForLastTask();  
  •     }  
  •       
  •     /* Compute  hours */  
  •     THH = TimeVar / 3600;  
  •     /* Compute minutes */  
  •     TMM = (TimeVar % 3600) / 60;  
  •     /* Compute seconds */  
  •     TSS = (TimeVar % 3600) % 60;  
  •   
  •     /*  sprintf(buf, "0x%08x", buf);     
  •     sprintf(buf, "0x%08x", &TimeVar);   
  •     sprintf(buf, "0x%08x", &THH);   
  •     sprintf(buf, "0x%08x", &TMM);   
  •     sprintf(buf, "0x%08x", &TSS);
  •     */   
  •     sprintf(buf, "%0.2d:%0.2d:%0.2d", THH, TMM, TSS);  
  •     LCD_DisplayStringLine(LCD_LINE_1, buf);  
  • }  


在Time_Display()中通过用sprintf将地址赋值给变量(即代码中注视掉的sprintf语句),并在LCD上显示的办法观察到,栈内的变量分布情况为:
可以看出,栈从内存地址高位向低位生长,参数在栈底,变量按照定义的顺序依次往上摞。系统给buf多留了两字节的空间,其余变量(包括函数参数timevar和局部变量TXX)在内存中依次紧密排列,没有出现windows中将函数回退地址的入栈时间放于参数之后,使参数和变量之间有四字节空隙的情况。这说明函数的回退地址和一些寄存器的入栈保存另有其他时机。同时注意到,代码中有用sprintf取得变量地址的语句时,工作正常,不会进入hardfault。因此有必要比较两段代码对内存空间造成的影响。

沙发
energy1|  楼主 | 2015-3-28 21:42 | 只看该作者
1. 进入hard fault是在Time_Show()函数一个循环执行完毕时。因此有必要看一下汇编,了解具体对寄存器和内存的数据读写操作:
[cpp] view plaincopy


  •    208:      if (TimeDisplay == 1)   
  •    209:     {   
  • 0x08000E72 4C05      LDR      r4,[pc,#20]  ; @0x08000E88  
  •    210:           uint32_t Counter = 0;   
  • 0x08000E74 2500      MOVS     r5,#0x00  
  • 0x08000E76 6820      LDR      r0,[r4,#0x00]  
  • 0x08000E78 2801      CMP      r0,#0x01  
  • 0x08000E7A D1FC      BNE      0x08000E76  
  •    211:           Counter = RTC_GetCounter();   
  • 0x08000E7C F7FFFE2C  BL.W     RTC_GetCounter (0x08000AD8)  
  •    212:       Time_Display(Counter);   
  • 0x08000E80 F7FFFF98  BL.W     Time_Display (0x08000DB4)  
  •    213:       TimeDisplay = 0;   
  • 0x08000E84 6025      STR      r5,[r4,#0x00]  
  •    214:     }   
  • 0x08000E86 E7F6      B        0x08000E76  

在这一段中,R4存放变量TimeDisplay的地址,R0为TimeDisplay的值。循环的最后一步,寄存器R4中的地址加0作为新地址,R5从内存中的该新地址取值存入。如果R4指向的地址非法,则读取该地址很有可能产生hard fault。
2.查看Time_Display()的汇编
(1)添加了显示变量地址的代码,而无hard fault的情况。
主循环的起始部分汇编代码如下,每次进入循环只需将Time_Display()时入栈的回退地址弹出作为PC。
[cpp] view plaincopy


  •    200: void Time_Show(void)   
  • 0x08000E44 B009      ADD      sp,sp,#0x24  
  • 0x08000E46 BD00      POP      {pc}  
  • 0x08000E48 517F      STR      r7,[r7,r5]  

刚进入Time_Display()时的汇编代码如下,进入时将R0和LR寄存器压入栈中。
[cpp] view plaincopy


  •    165: void Time_Display(uint32_t TimeVar)   
  • 0x08000DAC E8BD4010  POP      {r4,lr}  
  • 0x08000DB0 F7FFBEEA  B.W      RTC_WaitForLastTask (0x08000B88)  
  •    166: {   
  • 0x08000DB4 B501      PUSH     {r0,lr}  
  • 0x08000DB6 B088      SUB      sp,sp,#0x20  
  •    167:         uint32_t THH = 0, TMM = 0, TSS = 0;   
  •    168:         char buf[10];   

此时STM32芯片寄存器和内存的情况如下图所示。
根绝汇编中把R0和LR压入栈中的指令,对应LR和R0的值,在局部变量所在内存空间寻找,可以发现LR最先入栈,接着是函数参数和其余变量,这和最开始打印出的各变量地址也是吻合的。因此,如果buf越界不是太多,只是改写了其余局部变量的数据,不影响回退地址。另外,查看函数所有汇编代码,没有对R4的操作。至函数执行完成并返回,R4的值始终为0x20000000。综上,函数可以继续执行而不会出错。

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板凳
energy1|  楼主 | 2015-3-28 21:42 | 只看该作者
(2)产生hard fault的情况。
主循环的起始部分汇编代码如下,需要在Time_Display()后的寄存器值和回退地址都弹出。
[cpp] view plaincopy


  • <span style="font-size:13px;">   196: void Time_Show(void)   
  • 0x08000D90 BD1F      POP      {r0-r4,pc}  
  • 0x08000D94 517F      STR      r7,[r7,r5]</span>  

刚进入Time_Display()时的汇编代码如下,将R0-R4,及LR都压入栈中。
[cpp] view plaincopy


  •    165: void Time_Display(uint32_t TimeVar)   
  • 0x08000D40 E8BD4010  POP      {r4,lr}  
  • 0x08000D44 F7FFBEEA  B.W      RTC_WaitForLastTask (0x08000B1C)  
  •    166: {   
  •    167:         uint32_t THH = 0, TMM = 0, TSS = 0;   
  •    168:         char buf[10];   
  •    169:         /* Reset RTC Counter when Time is 23:59:59 */   
  • 0x08000D48 B51F      PUSH     {r0-r4,lr}  
  • 0x08000D4A 4604      MOV      r4,r0  

此时STM32芯片寄存器和内存的情况如下图所示。
此时buf的地址为0x200003ec,即R1的起始位置。变量和寄存器值的覆盖关系,或许是编译器检测到R1~R3的值在出栈后将不会被使用,而对内存进行的优化。此时内存中没有其他局部变量的位置,是因为在改动了代码的情况下,编译器判断为,只需在寄存器里就可以完成计算操作,因此改变了函数的汇编代码,没有占用内存空间。buf的赋值是按从低地址到高地址的顺序进行的。从内存的分配图中可以看出,如果buf越界,数组元素超过12个,就将影响到R4的内容。而如1中所述,R4的内容是Time_Display()退出后,需要读取的内存地址。如果经sprintf()后,buf内有15个字符,加上0x00,共16个字符,正好完全覆盖R4,且R4的最高位为0x00,显然是一个非法的内存空间,因此将进入hard fault。如果buf内的字符数落在(12,16)区间内,R4的地址合法(仍为0x20开头),不会进入hard fault,但地址已被修改,错误的内存空间中数值未知,程序跑飞。这些分析与实际测试结果是一致的。

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地板
energy1|  楼主 | 2015-3-28 21:42 | 只看该作者
energy1 发表于 2015-3-28 21:42
(2)产生hard fault的情况。主循环的起始部分汇编代码如下,需要在Time_Display()后的寄存器值和回退地址 ...

问题得到了解释,也不知花了一天时间分析这些值不值。出错与否,除了程序本身的正确以外,编译器将C翻译成汇编的发挥程度也是很大的决定因素。想避免这些头疼的问题,结论就一句话:数组不要越界。

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quray1985| | 2015-3-29 09:41 | 只看该作者
怎么写代码才能避免进入hardfault中断呢
我经常进入,很苦恼

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6
搞IT的| | 2015-3-29 10:24 | 只看该作者
不懂。。。帮顶

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7
lsarmlsarm| | 2015-3-29 21:01 | 只看该作者
学习

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8
vigous1| | 2015-3-29 23:20 | 只看该作者
避免进入hardfault中断

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