FreeRTOS 中如何定位 HardFault？

來源：公眾號【魚鷹談單片機(jī)】

作者：魚鷹Osprey

ID   ：emOsprey

大家好，我是魚鷹，因?yàn)橐恍┦虑椋@次更新來的有點(diǎn)遲。但還是爭取大家每次都能從魚鷹公眾號中學(xué)到一些實(shí)實(shí)在在的技術(shù)，提高自己的核心競爭力。

感謝大家一直以來對魚鷹的支持。

今天繼續(xù)聊聊開發(fā)中常見的 HardFault，這個(gè)問題應(yīng)該從學(xué)習(xí) STM32 開發(fā)以來就一直伴隨著我們，很多人遇到這種問題也是不知道該如何定位。

如果只是獨(dú)立開發(fā)，遇到這種問題，一般都是看代碼、修改代碼等等這些常規(guī)手段，因?yàn)樽约簩懙拇a最熟悉，改動一般也不會太大，容易縮小范圍，也更容易定位。

但現(xiàn)在的產(chǎn)品越來越復(fù)雜，目前的開發(fā)模式都是合作開發(fā)，每個(gè)人負(fù)責(zé)各自的模塊，這樣的項(xiàng)目代碼量大、復(fù)雜度高，也就更難定位問題。

而有的時(shí)候，剛?cè)肼氁患夜?，什么代碼都不熟悉，又出現(xiàn)了 HardFault，更是讓人崩潰，分分鐘有跑路的沖動（你和代碼，有一個(gè)能跑就行）。

此時(shí)，有一個(gè)能解決這種疑難雜癥的大牛是能大大節(jié)省時(shí)間的，而我在公司也解決不少類似的問題，所以經(jīng)驗(yàn)也算豐富，充當(dāng)?shù)囊彩沁@一類角色。

而魚鷹定位 Hardfault 的方法一般是靠 KEIL在線調(diào)試+C語言+權(quán)威指南 中的知識搞定。

目前魚鷹的解 BUG 差不多是這樣的：

1、必現(xiàn)，代碼熟悉的情況下，幾個(gè)小時(shí)內(nèi)搞定。

2、偶現(xiàn)，根據(jù)出現(xiàn)情況決定解決問題的時(shí)間，一般出現(xiàn)個(gè)四五次，基本就能定位。

3、難現(xiàn)。這種一般要掛一個(gè)記錄儀實(shí)時(shí)記錄運(yùn)行情況。

經(jīng)歷了這么多，已經(jīng)很少有能讓魚鷹需要花費(fèi)幾天時(shí)間才能解決的 Hardfault 問題了（猶記得剛來深圳時(shí)，因?yàn)閯e人寫的一個(gè) BUG 導(dǎo)致的 Hardfault，不得已加了幾天通宵，要不是偶然機(jī)會還不一定能搞定）。

這里打個(gè)小廣告，如果難解決，可以有償請魚鷹解決 Hardfault 問題哦。

不過最近工作上因?yàn)橛昧?C++，這個(gè)基礎(chǔ)不是很熟悉，解決 Hardfault 的速度又下降了。而工程編譯優(yōu)化等級 -O2 也加大了不少調(diào)試難度，因此掌握下面的方法是很重要的：

總結(jié) MDK 幾種編譯優(yōu)化設(shè)置的方法

關(guān)于 Hardfault，魚鷹以前也是分享了不少筆記的，不知道有多少人認(rèn)真看過。

HardFault 之 INVSTAE 錯(cuò)誤定位（一）

見鬼，過年回來后板子就 hardfault 了？

今天，魚鷹繼續(xù)分享關(guān)于在 FreeRTOS 定位 Hardfault 方法。

這里需要一個(gè)大佬寫的組件 ：CmBacktrace（事實(shí)上，如果能在線調(diào)試，魚鷹是不需要借助這個(gè)組件的，但是難復(fù)現(xiàn)的情況下用這個(gè)組件還是比較香的）。

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

這個(gè)組件估計(jì)很多道友都聽說過，也用過，但魚鷹想說的是，有些道友在用的組件可能比較老，沒有下面這種追蹤功能，建議大家更新一下。

上面可以看到出錯(cuò)時(shí)，函數(shù)的調(diào)用棧（有時(shí)可能是錯(cuò)誤的，需要實(shí)際分析，僅做參考）

_call_main ->  main -> fult_test_by_div0

相當(dāng)實(shí)用。

同時(shí)，本篇筆記不僅適用于在 FreeRTOS 定位 Hardfault，實(shí)際上uCOS、rt-thread 等其它 RTOS 照樣可以修改后使用（裸機(jī)更不用說了）。 

倉庫例子支持的平臺：裸機(jī)、rt-thread、ucoss-ii、freertos。

這里重點(diǎn)在如何移植這個(gè)組件到 freertos 中（實(shí)際上，倉庫的說明文檔也非常詳細(xì)，可以參考）。由于 freertos  也是不斷更新中，所以這個(gè)組件的例子不能完全適用于新版本，而魚鷹剛好移植好了，在此記錄一下，方便大家移植。

1、將倉庫中的 cm_backtrace（源碼文件） 整個(gè)文件夾拷貝到自己的工程文件夾下。

2、在自己的工程中添加這些文件（我們可以打開 demos -> os -> freertos 工程查看）

只有兩個(gè)文件，相當(dāng)簡單。

一個(gè)是核心源碼，另外一個(gè)則是匯編代碼，代碼執(zhí)行入口。

注意，根據(jù) IDE 不同，選擇的匯編文件也不同：

其實(shí)就是將 startup_stm32f10x_hd.s 中的hardfault 默認(rèn)處理函數(shù)重定位到 cmb_fault.S 中了。

注意這里有一個(gè)weak，這樣鏈接的時(shí)候就不會鏈接這個(gè)，而是 cmb_fault.S 這個(gè)：

為了更方便的定位問題，我們后面還需要修改一下這個(gè)代碼才行。

注意，如果你的啟動文件內(nèi)的 hardfault 代碼被修改了，而你不懂匯編，建議恢復(fù)成上面那種，不然可能運(yùn)行不正常。

3、主函數(shù)中初始化代碼。

這里的字符串需要和這個(gè)一樣（根據(jù)自己的工程名修改）：

所以建議用英文建工程。這個(gè)在輸出錯(cuò)誤信息的時(shí)候用的上，否則每次查看調(diào)用棧都需要修改一下，比較麻煩。

如果開啟了內(nèi)部看門狗，建議關(guān)閉一下：

// HAL 庫__HAL_DBGMCU_FREEZE_IWDG1();// 標(biāo)準(zhǔn)庫DBGMCU_Config(DBGMCU_IWDG_STOP, ENABLE);

在斷言失敗的位置添加該函數(shù) cm_backtrace_assert：

這樣斷言失敗了也能看到調(diào)用棧了。

4、FreeROTS 內(nèi)核文件修改（內(nèi)核版本 V10.2.1）

    為了分析出錯(cuò)的代碼，必須知道每個(gè)任務(wù)的棧信息，而 FreeRTOS 可能沒有這些信息，因此，我們需要添加進(jìn)去。

 task.c

FreeRTOS.h

注意，老版本freertos 是只要修改一處的，但新版本需要修改兩處，否則會斷言失敗，運(yùn)行不下去。

建議把注釋也一起添加進(jìn)去。

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

相關(guān)函數(shù)修改  task.c    prvInitialiseNewTask() ：

task.c 文件最后添加如下代碼用于獲取棧地址、大小、名字：

為方便復(fù)制，在此貼代碼

/*-----------------------------------------------------------*//*< 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、根據(jù)所屬 RTOS 平臺和芯片內(nèi)核修改組件配置信息

cmb_cfg.h

1）需要定義打印輸出函數(shù)，一般用 printf 打印，也可以用你自定義的一些打印函數(shù)，功能和 printf 類似即可。

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

2）使能 RTOS 支持

#define CMB_USING_OS_PLATFORM

3）具體 RTOS 選擇 FreeRTOS

#define CMB_OS_PLATFORM_TYPE           CMB_OS_PLATFORM_FREERTOS

4）芯片內(nèi)核根據(jù)實(shí)際選擇，目前支持 M0、M3、M4、M7。

#define CMB_CPU_PLATFORM_TYPE          CMB_CPU_ARM_CORTEX_M3

5）打印虛擬棧，可以將出錯(cuò)時(shí)的原始棧信息打印出來，可能對分析有些幫助

#define CMB_USING_DUMP_STACK_INFO

6）語言支持：英語。實(shí)際也支持中文，但建議使用英語（不配置，默認(rèn)就是英語）

#define CMB_PRINT_LANGUAGE             CMB_PRINT_LANGUAGE_ENGLISH

7) 如果是 C++ 編譯的，有可能出錯(cuò)，可以在開頭定義這個(gè)：

#define __CLANG_ARM

7、根據(jù)需要修改組件，方便使用（這些看看能不能有機(jī)會合并到大佬的分支里面）

1）因?yàn)楣δ苌婕胺秶?，因此可以將相關(guān)頭文件包含形式改成這種，這樣就不需要改頭文件路徑了，移植更方便：

#include <cm_backtrace.h>-->>#include "./cm_backtrace.h"
#include <cmb_cfg.h>-->>#include "./cmb_cfg.h"
#include "cmb_def.h"-->>#include "./cmb_def.h"

main 中也不需要包含頭文件，而是在需要位置直接聲明這個(gè)函數(shù)即可，因?yàn)橥獠恐恍枰{(diào)用這個(gè)函數(shù)

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

這樣一來，就不需要添加頭文件的路徑了。

或者使用相對路徑的方式添加頭文件：

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

另外，我們可以讓程序進(jìn)入 Hardfault 前，讓代碼自動停止，這樣我們能更好的利用在線調(diào)試代碼，《 傳說中的軟件斷點(diǎn)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    0not_in_debug    MOV     r0, lr                  ; get lr    MOV     r1, sp                  ; get stack pointer (current is MSP)    BL      cm_backtrace_fault

因?yàn)閯傔M(jìn)入 Hardfault 時(shí)的信息最全，又不想每次打斷點(diǎn)，上面的代碼很好的實(shí)現(xiàn)了功能，同時(shí)也不會影響程序的正常運(yùn)行（會自動判斷是否處于調(diào)試模式）。
 

8、實(shí)驗(yàn)。

上面都搞定了，就可以驗(yàn)證一下效果了。這里我們我們可以模擬仿真看看情況。（修改工程配置，這些內(nèi)容魚鷹以前分享過，不多說）

運(yùn)行倉庫例子后，應(yīng)該能打印下面的信息，告訴我們出現(xiàn)了 div 0 錯(cuò)誤

你移植好的工程也應(yīng)該打印類似的信息（加入測試代碼 ：fault_test_by_div0();）如果打印不出來，有兩種可能：

1、打印函數(shù)沒初始化好就進(jìn)入了Hardfault

2、打印函數(shù)有問題。

之后我們復(fù)制最后一行，然后運(yùn)行倉庫 tools 里面的 add2line 工具看看調(diào)用棧信息：

在 git bash 中可能會執(zhí)行失敗，可以加入程序路徑，當(dāng)然也可以將該工具路徑加入到Windows 環(huán)境變量中。有可能提示找不到 axf 文件，把這個(gè)文件拷貝到工具下即可。

正確的做法是，將該工具放到 C 盤目錄下，同時(shí)添加環(huán)境變量，之后就可以在 axf 目錄下打開 gitbash 或者 cmd 窗口執(zhí)行命令即可。

這里只作為演示，就不多介紹這些了。

最后再簡單介紹一下這個(gè)組件的實(shí)現(xiàn)原理：

如果出現(xiàn)hardfault， 首先進(jìn)入?yún)R編文件的 HardFault_Handler 處理，這里會得到當(dāng)前的棧指針和 LR，并且根據(jù) LR 確定出錯(cuò)的棧是哪個(gè)《STM32 兩個(gè)棧，你用哪一個(gè)？》（這里是 PSP 棧）

根據(jù)錯(cuò)誤寄存器信息，確定哪種錯(cuò)誤（這里為 除 0 錯(cuò)誤）。

然后對棧信息 和 LR 、PC 進(jìn)行 FLASH 上的匯編代碼分析，找出可能的跳轉(zhuǎn)指令，這里找到的兩個(gè)跳轉(zhuǎn)地址為 0x08001f96 0x08000368，進(jìn)而得到調(diào)用棧。

因此，要能準(zhǔn)確的得到調(diào)用棧，有兩點(diǎn)重要前提條件（建議優(yōu)化等級 -O0）：

1、棧未被破壞

2、芯片運(yùn)行代碼和 axf 文件保持一致。

即使如此，你也不能保證找出的調(diào)用棧就是正確的，比如你使用 fault_test_by_unalign() 測試，得到的結(jié)果如下： 

中間多了一個(gè) fputc。

因此，這些打印信息只能作為參考使用。

但在線調(diào)試不同，它更專業(yè)，不容易出現(xiàn)錯(cuò)誤調(diào)用關(guān)系。

魚鷹想分享的內(nèi)容到此就結(jié)束了，下期再見！