FreeRTOS中如何定位HardFault？

今天继续聊聊开发中常见的 HardFault，这个问题应该从学习 STM32 开发以来就一直伴随着我们，很多人遇到这种问题也是不知道该如何定位。

如果只是独立开发，遇到这种问题，一般都是看代码、修改代码等等这些常规手段，因为自己写的代码最熟悉，改动一般也不会太大，容易缩小范围，也更容易定位。

但现在的产品越来越复杂，目前的开发模式都是合作开发，每个人负责各自的模块，这样的项目代码量大、复杂度高，也就更难定位问题。

而有的时候，刚入职一家公司，什么代码都不熟悉，又出现了 HardFault，更是让人崩溃，分分钟有跑路的冲动（你和代码，有一个能跑就行）。

此时，有一个能解决这种疑难杂症的大牛是能大大节省时间的，而我在公司也解决不少类似的问题，所以经验也算丰富，充当的也是这一类角色。

而鱼鹰定位 Hardfault 的方法一般是靠 KEIL在线调试+C语言+权威指南 中的知识搞定。

目前鱼鹰的解 BUG 差不多是这样的：

1、必现，代码熟悉的情况下，几个小时内搞定。

2、偶现，根据出现情况决定解决问题的时间，一般出现个四五次，基本就能定位。

3、难现。这种一般要挂一个记录仪实时记录运行情况。

经历了这么多，已经很少有能让鱼鹰需要花费几天时间才能解决的 Hardfault 问题了（犹记得刚来深圳时，因为别人写的一个 BUG 导致的 Hardfault，不得已加了几天通宵，要不是偶然机会还不一定能搞定）。

这里打个小广告，如果难解决，可以有偿请鱼鹰解决 Hardfault 问题哦。

不过最近工作上因为用了 C++，这个基础不是很熟悉，解决 Hardfault 的速度又下降了。而工程编译优化等级 -O2 也加大了不少调试难度，因此掌握下面的方法是很重要的：

总结 MDK 几种编译优化设置的方法

 

关于 Hardfault，鱼鹰以前也是分享了不少笔记的，不知道有多少人认真看过。

HardFault 之 INVSTAE 错误定位（一）

见鬼，过年回来后板子就 hardfault 了？

今天，鱼鹰继续分享关于在 FreeRTOS 定位 Hardfault 方法。

这里需要一个大佬写的组件 ：CmBacktrace（事实上，如果能在线调试，鱼鹰是不需要借助这个组件的，但是难复现的情况下用这个组件还是比较香的）。

gitee 仓库：https://gitee.com/Armink/CmBacktrace

这个组件估计很多道友都听说过，也用过，但鱼鹰想说的是，有些道友在用的组件可能比较老，没有下面这种追踪功能，建议大家更新一下。

上面可以看到出错时，函数的调用栈（有时可能是错误的，需要实际分析，仅做参考）

_call_main ->  main -> fult_test_by_div0

相当实用。

 

同时，本篇笔记不仅适用于在 FreeRTOS 定位 Hardfault，实际上uCOS、rt-thread 等其它 RTOS 照样可以修改后使用（裸机更不用说了）。 

仓库例子支持的平台：裸机、rt-thread、ucoss-ii、freertos。

这里重点在如何移植这个组件到 freertos 中（实际上，仓库的说明文档也非常详细，可以参考）。由于 freertos  也是不断更新中，所以这个组件的例子不能完全适用于新版本，而鱼鹰刚好移植好了，在此记录一下，方便大家移植。

 

1、将仓库中的 cm_backtrace（源码文件） 整个文件夹拷贝到自己的工程文件夹下。

2、在自己的工程中添加这些文件（我们可以打开 demos -> os -> freertos 工程查看）

只有两个文件，相当简单。

一个是核心源码，另外一个则是汇编代码，代码执行入口。

注意，根据 IDE 不同，选择的汇编文件也不同：

 

其实就是将 startup_stm32f10x_hd.s 中的hardfault 默认处理函数重定位到 cmb_fault.S 中了。

注意这里有一个weak，这样链接的时候就不会链接这个，而是 cmb_fault.S 这个：

为了更方便的定位问题，我们后面还需要修改一下这个代码才行。

注意，如果你的启动文件内的 hardfault 代码被修改了，而你不懂汇编，建议恢复成上面那种，不然可能运行不正常。

3、主函数中初始化代码。

这里的字符串需要和这个一样（根据自己的工程名修改）：

所以建议用英文建工程。这个在输出错误信息的时候用的上，否则每次查看调用栈都需要修改一下，比较麻烦。

 

如果开启了内部看门狗，建议关闭一下：

// HAL 库
__HAL_DBGMCU_FREEZE_IWDG1();
// 标准库
DBGMCU_Config(DBGMCU_IWDG_STOP, ENABLE);

在断言失败的位置添加该函数 cm_backtrace_assert：

这样断言失败了也能看到调用栈了。

 

4、FreeROTS 内核文件修改（内核版本 V10.2.1）

    为了分析出错的代码，必须知道每个任务的栈信息，而 FreeRTOS 可能没有这些信息，因此，我们需要添加进去。

 task.c

FreeRTOS.h

注意，老版本freertos 是只要修改一处的，但新版本需要修改两处，否则会断言失败，运行不下去。

建议把注释也一起添加进去。

UBaseType_t     uxSizeOfStack;      /*< Support For CmBacktrace >*/

 

相关函数修改  task.c    prvInitialiseNewTask() ：

 

task.c 文件最后添加如下代码用于获取栈地址、大小、名字：

为方便复制，在此贴代码

/*-----------------------------------------------------------*/
/*< Support For CmBacktrace >*/
uint32_t * vTaskStackAddr()
{
    return pxCurrentTCB->pxStack;
}


uint32_t vTaskStackSize()
{
    #if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
    
    return (pxNewTCB->pxEndOfStack - pxNewTCB->pxStack + 1);
    
    #else /* ( portSTACK_GROWTH > 0 )*/
    
    return pxCurrentTCB->uxSizeOfStack;
    
    #endif /* ( portSTACK_GROWTH > 0 )*/
}


char * vTaskName()
{
    return pxCurrentTCB->pcTaskName;
}
/*-----------------------------------------------------------*/

5、根据所属 RTOS 平台和芯片内核修改组件配置信息

cmb_cfg.h

1）需要定义打印输出函数，一般用 printf 打印，也可以用你自定义的一些打印函数，功能和 printf 类似即可。

#define cmb_println(...)               printf(__VA_ARGS__);printf("
")

2）使能 RTOS 支持

#define CMB_USING_OS_PLATFORM

3）具体 RTOS 选择 FreeRTOS

#define CMB_OS_PLATFORM_TYPE           CMB_OS_PLATFORM_FREERTOS

4）芯片内核根据实际选择，目前支持 M0、M3、M4、M7。

#define CMB_CPU_PLATFORM_TYPE          CMB_CPU_ARM_CORTEX_M3

5）打印虚拟栈，可以将出错时的原始栈信息打印出来，可能对分析有些帮助

#define CMB_USING_DUMP_STACK_INFO

6）语言支持：英语。实际也支持中文，但建议使用英语（不配置，默认就是英语）

#define CMB_PRINT_LANGUAGE             CMB_PRINT_LANGUAGE_ENGLISH

7) 如果是 C++ 编译的，有可能出错，可以在开头定义这个：

#define __CLANG_ARM

 

7、根据需要修改组件，方便使用（这些看看能不能有机会合并到大佬的分支里面）

1）因为功能涉及范围小，因此可以将相关头文件包含形式改成这种，这样就不需要改头文件路径了，移植更方便：

#include 
-->>
#include "./cm_backtrace.h"


#include 
-->>
#include "./cmb_cfg.h"


#include "cmb_def.h"
-->>
#include "./cmb_def.h"

main 中也不需要包含头文件，而是在需要位置直接声明这个函数即可，因为外部只需要调用这个函数

#include 
-->
void cm_backtrace_init(const char *firmware_name, const char *hardware_ver, const char *software_ver);

这样一来，就不需要添加头文件的路径了。

或者使用相对路径的方式添加头文件：

#include "../../driver/cm_backtrace/cm_backtrace.h"

 

另外，我们可以让程序进入 Hardfault 前，让代码自动停止，这样我们能更好的利用在线调试代码，《 传说中的软件断点到底是什么？》。

HardFault_Handler    PROC
    LDR     r0, =0xE000EDF0; DEMCR
    LDR     r0,[r0,#0x00]
    AND     r0,r0,#0x00000001
    CBZ     r0,not_in_debug
    BKPT    0
not_in_debug
    MOV     r0, lr                  ; get lr
    MOV     r1, sp                  ; get stack pointer (current is MSP)
    BL      cm_backtrace_fault

因为刚进入 Hardfault 时的信息最全，又不想每次打断点，上面的代码很好的实现了功能，同时也不会影响程序的正常运行（会自动判断是否处于调试模式）。
 

8、实验。

上面都搞定了，就可以验证一下效果了。这里我们我们可以模拟仿真看看情况。（修改工程配置，这些内容鱼鹰以前分享过，不多说）

运行仓库例子后，应该能打印下面的信息，告诉我们出现了 div 0 错误

而你移植好的工程也应该打印类似的信息（加入测试代码 ：fault_test_by_div0();）如果打印不出来，有两种可能：

1、打印函数没初始化好就进入了Hardfault

2、打印函数有问题。

 

之后我们复制最后一行，然后运行仓库 tools 里面的 add2line 工具看看调用栈信息：

在 git bash 中可能会执行失败，可以加入程序路径，当然也可以将该工具路径加入到Windows 环境变量中。有可能提示找不到 axf 文件，把这个文件拷贝到工具下即可。

正确的做法是，将该工具放到 C 盘目录下，同时添加环境变量，之后就可以在 axf 目录下打开 gitbash 或者 cmd 窗口执行命令即可。

这里只作为演示，就不多介绍这些了。

 

最后再简单介绍一下这个组件的实现原理：

如果出现hardfault， 首先进入汇编文件的 HardFault_Handler 处理，这里会得到当前的栈指针和 LR，并且根据 LR 确定出错的栈是哪个《STM32 两个栈，你用哪一个？》（这里是 PSP 栈）

根据错误寄存器信息，确定哪种错误（这里为 除 0 错误）。

然后对栈信息 和 LR 、PC 进行 FLASH 上的汇编代码分析，找出可能的跳转指令，这里找到的两个跳转地址为 0x08001f96 0x08000368，进而得到调用栈。

 

因此，要能准确的得到调用栈，有两点重要前提条件（建议优化等级 -O0）：

1、栈未被破坏

2、芯片运行代码和 axf 文件保持一致。

即使如此，你也不能保证找出的调用栈就是正确的，比如你使用 fault_test_by_unalign() 测试，得到的结果如下： 

中间多了一个 fputc。

因此，这些打印信息只能作为参考使用。

但在线调试不同，它更专业，不容易出现错误调用关系。

鱼鹰想分享的内容到此就结束了，下期再见！

 

审核编辑 ：李倩