代码收藏家技术教程 2024-01-25

单片机bug调试：解决HardFault_Handler硬件中断问题的方法

#单片机bug调试- HardFault_Handler硬件中断调试解决

1. HardFault_Handler中断产生的主要原因

HardFault_Handler硬件中断，是单片机中经常出现的一种异常问题。出现 HardFault_Handler 的原因主要有3类：

内存溢出或者访问越界：由于程序中申请的内存超出了系统的可用内存，或者申请的内存在使用过程中未被正确释放。这种情况会导致系统无法为其他请求分配足够的内存，甚至可能导致系统崩溃。访问了数组范围之外的内存位置或使用野指针，也会导致HardFault_Handler错误。

堆栈溢出：通常发生在函数调用或数组访问时。当函数内部的数组过大，或者递归调用层次太深时，就可能发生堆栈越界。

硬件故障：如果硬件出现故障，例如电源干扰、连接器故障或传感器故障等，可能会导致HardFault_Handler错误。

在单片机的HardFault_Handler 异常处理中，不同的单片机系列处理机制可能会有所不同，这取决于具体的MCU系列和其内部架构，需要看对应的内核手册。
不过STM32系列的异常处理机制大致相似，按照本文方法若不能解决问题，就需要详细查看对应的内核手册(R13、R14、R15的作用)。

2. HardFault_Handler 关键寄存器说明

出现HardFault异常时，会进入HardFault_Handler中断处理程序。此时，MSP和PSP有两个特殊的寄存器，它们用于存储堆栈指针，帮助开发者定位和解决问题。

2.1 MSP寄存器(主堆栈指针）

主要用于非中断相关的操作，如主程序运行、用户任务等。

在异常处理过程中，MSP作为栈顶指针使用(主堆栈的初始地址)，用于保存和恢复异常发生时的寄存器值。

在正常处理过程中，MSP用于临时存储数据、保存函数调用时的参数等。

2.2 PSP寄存器(进程堆栈指针）

主要用于嵌套中断处理和多任务环境。

在嵌套中断处理中，PSP用于保存和恢复中断前的堆栈环境，以便中断处理程序能够正确地执行。

在多任务环境中，每个任务都有自己的PSP，用于保存任务的上下文（如CPU寄存器），以便任务切换时能够正确地恢复执行。

其它正常情况下，PSP也可以用于其他需要临时存储数据的场景。

当发生异常时内核将R0、R1、R2、R3、R12、Returnaddress、PSR、LR寄存器依次入栈到MSP或PSP，以保存当前执行的上下文。

地址解释:

R0、R1、R2、R3：通用寄存器，通常用于传递参数和保存临时数据；

R12: 这也是一个通用寄存器，用于保存临时数据;

Returnaddress: 保存了当前函数调用后的地址，这通常是指发生异常前将要执行的指令的地址;

PSR (Program Status Register):程序状态寄存器，保存了CPSR的当前值;

LR (Link Register): 链接寄存器，保存了异常发生前的返回地址。

异常时，内核将当前执行的上下文数据按特定顺序入栈到堆栈指针，只要我们找到Returnaddress地址的位置，就可定位到出现异常的大致位置。查看保存有异常数据的堆栈指针是MSP，还是PSP，需要根据R14(LR)的数值而定。

3. 分析HardFault_Handler硬件中断一般步骤

Coretex-M3和Coretex-M4架构中，R14(LR)数值及其代表含义：

LR = 0xFFFFFFF9，MSP指向的地址保存有异常信息；(使用FPU时，LR=0xFFFFFFE9)

LR = 0xFFFFFFFD，PSP指向的地址保存有异常信息；(使用FPU时，LR=0xFFFFFFED)

LR = 0xFFFFFFF1，表示中断返回时从MSP堆栈恢复寄存器值，中断返回后进入Handler模式，使用MSP堆栈；(使用FPU时，LR=0xFFFFFFE1)

以下使用Coretex-M3内核架构，进行异常分析,

3.1 保护现场：

出现异常时，不要复位设备，保持当前设备运行的异常环境，能更大概率找到问题。若开启了看门狗，超时就会硬件复位，要复现并找到该问题，需要将看门狗进行关闭并重新烧写程序，等待问题复现。

3.2 使用KEIL进入Debug调试

若进入调试界面后，没有 Registers 窗口，就点击KEIL-->View-->Registers Windown 就会弹出该窗口。

3.3 `Registers` 窗口查看R14（LR），确认保存异常数据的堆栈指针

3.4 在Memory1窗口查看栈帧内容

若 Memory1 窗口未显示，就点击KEIL-->View-->Memory Windowns-->Memory1 就会弹出该窗口。

3.5 使用 Disassembly Window 反汇编窗口定位异常区域

若 Disassembly 反汇编窗口未显示，就点击KEIL-->View-->Disassembly Windown 就会弹出该窗口。

通过MSP堆栈指针指向的地址0x20002B10 记录的上下文信息，查找Returnaddress地址定位到异常程序代码处，可分析出产生HardFault_Handler中断的原因是由于函数内部数组 buf[50] 只有50个字节大小，但使用buf时操作了100个字节大小，导致了数组越界错误。

3.6 LR寄存器等于其它值

LR寄存器保存了异常发生时的返回地址。如果由于外部信号干扰或电源问题导致异常，这个返回地址可能不准确或MSP的值与预期的函数堆栈位置不匹配，这可能表明异常发生时堆栈已经被破坏。需结合窗口工具 KEIL–>View–>Call Stack ，KEIL–>Peripherals–>Core Peripherals–>Fault Reports 进行具体异常分析。

配置KEIL进行在线调试的参考链接

某些 xxx.uvprojx 工程，在使用KEIL进行Debug在线调试时，打了断点，当退出调试时KEIL会卡死，需要使用任务管理器强制结束任务才能退出。

出现该问题的原因是，xxx.uvprojx 工程建立不是在本电脑上创建的，是从其他电脑拷贝到本电脑编译运行调试的,存在的配置文件与本电脑不匹配; 或工程路径里面存在中文路径。解决措施：

关闭KEIL工程，拷贝一份工程出来并重命名，路径中不包含中文；

在 xxx.uvprojx 同目录下，删除文件 xxx.scvd 、 xxx.uvguix.Administrator 、 xxx.uvguix.zuozh 、 xxx.uvoptx ； 注意不要删除 xxx.uvprojx ;

打开 xxx.uvprojx 工程，进入Target 界面重新对该工程进行配置，并 Rebuild 编译；