AT32讲堂009 | 基于CmBacktrace库，如何快速追踪和定位产生HardFault的原因

概述

在使用ARM Cortex-M系列MCU时（如AT32 MCU），有时会出现程序运行异常。当通过编译器在debug模式查原因时，会发现程序跑到HardFault_Handler函数中，产生HardFault，即硬件错误。

图1. HardFault_Handler函数

本文档主要介绍一种基于CmBacktrace库，快速追踪和定位产生HardFault原因的方法。

 

HardFault产生原因

常见产生HardFault产生的原因大概有如下几类：

数组越界操作；

内存溢出，访问越界；

堆栈溢出，程序跑飞；

中断处理错误。

数组越界

程序中使用了静态数组，而在动态传参时数组赋值溢出。或者动态分配内存太小，导致程序异常。

内存溢出

重点检查RAM区域，程序编译后执行的RAM数据量大小为多少是否可能越界。一般不要设置到极致的情况，程序中的一些动态数组传参时会导致异常。

堆栈溢出

这在使用操作系统的代码中尤其容易发生，在操作系统中，任务的变量均分配放置在任务所申请的堆栈空间中。

例如FreeRTOS中调用xTaskCreate来创建任务，该函数以参数usStackDepth指定任务堆栈的大小，如果指定的堆栈太小，则会堆栈申请不足，进入HardFault。

中断处理异常

程序中开启了某些中断，例如USART,TIMER,RTC等。

但在程序执行中，满足中断条件，但并未能查找到该部分对应的中断服务函数，则可能会出现该异常。

 

HardFault分析方法

常见的分析方法是：发生异常之后可首先查看LR寄存器中的值，确定当前使用堆栈为MSP或PSP，然后找到相应堆栈的指针，并在内存中查看相应堆栈里的内容。由于异常发生时，内核将R0~R3、R12 Returnaddress、PSR、LR寄存器依次入栈，其中Return address即为发生异常前PC将要执行的下一条指令地址。

但以上方法要求对ARM内核比较熟悉，且操作较为繁琐。

以下重点介绍采用开源库CmBacktrace作为快速分析的方法。

 

基于CmBacktrace库分析方法

CmBacktrace（Cortex Microcontroller Backtrace）是一款针对ARM Cortex-M系列MCU的错误代码自动追踪、定位，错误原因自动分析的开源库。主要特性如下：

支持的错误包括：

1) 断言（Assert）

2) 故障（Hard Fault, Memory Management Fault, Bus Fault, Usage Fault, Debug Fault）

故障原因自动诊断：可在故障发生时，自动分析出故障的原因，定位发生故障的代码位置，而无需再手动分析繁杂的故障寄存器；

适配Cortex-M0/M3/M4/M7 MCU；

支持IAR、KEIL、GCC编译器；

支持FreeRTOS、UCOSII、UCOSIII、RT-Thread等OS；

 

基于MDK的CmBacktrace库使用流程

基于MDK的移植方法按如下步骤进行：

步骤一 添加cm_backtrace库文件到MDK中

图2. cm_backtrace库文件夹

把cm_backtrace文件夹复制到我们的工程目录下，并添加至keil工程中。

图3. 添加cm_backtrace后keil工程目录

步骤二 添加头文件、勾选C99模式

图4. Keil中配置C99和头文件

步骤三 编译和调试

首先，cmb_cfg.h文件按以下提示配置修改。

图5. cmb_cfg.h文件配置

这时候编译有一个错误，这是因为cmb_fault.c与at32f4xx_int.c中的HardFault_Handler函数重复定义：

图6. at32f4xx_it.c编译报错

需要把at32f4xx_int.c中的HardFault_Handler函数屏蔽掉。

图7. HardFault_Handler函数屏蔽

步骤四 测试与查看

这时候就可以编译通过了。下面测试这个库的功能。

测试函数如下：

图8. 编写除零错误函数

然后在主函数中调用cm_backtrace_init()；来初始化cm_backtrace，并调用该测试函数：

图9. main函数调用除零错误函数

下载运行程序，PC端接收串口信息：

图10. 串口助手输出错误信息

可以看到，列出了出错原因（除0）和一条命令。运行这个命令需要用到addr2line.exe工具，该工具在tools文件夹中：

图11. 定位addr2line.exe位置

有32bit和64bit两个版本，根据环境选择，并拷贝到keil工程目录下的.axf文件所在的文件夹中，如demo中所附工程，则拷贝到如下目录：

AN0028_SourceCode_V2.0.0\utilities\AN0028_demo\non_os\mdk_v5\objects

图12. 拷贝addr2line.exe工具

进入到cmd窗口，转到上述文件夹位置，运行串口助手中的那条命令：

addr2line -e CmBacktrace(此处要依据用户的工程名修改).axf -a -f 080019c6 08001ae9

如demo中工程名为printf，命令则应修改为addr2line -e printf.axf -a -f 080019c6 08001ae9

图13. 调用CMD运行addr2line.exe工具

可以看到addr2line.exe工具定位出了错误相关的代码行号，查看对应行的代码：

图14. 确认错误代码区域

可以看到addr2line.exe工具定位出了错误相关的代码行号，main.c的第60行，fault_test.c的第38行，查看对应行的代码：

可见，对应的行号正是出错的地方，使用这个CmBacktrace库能帮助用户有效、快速地定位到HardFault之类的错误。

 

案例展示

案例一 无OS除零错误

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

测试内容：在裸机上除零错误

案例二 FreeRTOS上除零错误

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

测试内容：在FreeROTOS上除零错误，需注意tasks.c中有注释/**/的三处为针对CmBacktrace做出的修改

案例三 USOCⅢ上非对齐访问错误

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

测试内容：在UCOSⅢ上非对齐访问错误，需注意os_cfg.h中#define OS_CFG_DBG_EN为1u

 

关于雅特力雅特力科技于2016年成立，是一家致力于推动全球市场32位微控制器(MCU)创新趋势的芯片设计公司，专注于ARM Cortex-M4/M0+的32位微控制器研发与创新，全系列采用55nm先进工艺及ARM Cortex-M4高效能或M0+低功耗内核，缔造M4业界最高主频288MHz运算效能，并支持工业级别芯片工作温度范围（-40°~105°）。雅特力目前已累积相当多元的终端产品成功案例：如微型打印机、扫地机、光流无人机、热成像仪、激光雷达、工业缝纫机、伺服驱控、电竞周边市场、断路器、ADAS、T-BOX、数字电源、电动工具等终端设备应用，广泛地覆盖5G、物联网、消费、商务及工控等领域。