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標題: 飛思卡爾工程師教你如何定位Kinetis MCU Hard Fault 異常 [打印本頁]

作者: 51黑er 時間: 2015-11-9 14:57
標題: 飛思卡爾工程師教你如何定位Kinetis MCU Hard Fault 異常
看到有朋友遇到Hard Fault異常錯誤，特地找到一篇飛思卡爾工程師寫的一片經驗帖，定位Hard Fault 異常。

Kinetis MCU 采用 Cortex-M4 的內核，該內核的 Fault 異常可以捕獲非法的內存訪問和非法的編程行為。Fault異常能夠檢測到以下幾類非法行為：

· 總線Fault: 在取址、數據讀/寫、取中斷變量、進入/退出中斷時寄存器堆棧操作（入棧/出棧）時檢測到內存訪問錯誤。

· 存儲器管理 Fault:檢測到內存訪問違反了內存保護單元（MPU, MemoryProtection Unit）定義的區域。

· 用法Fault: 檢測到未定義的指令異常，未對其的多重加載/存儲內存訪問。如果使能相應控制位，還可以檢測出除數為零以及其他未對齊的內存訪問。

· 硬Fault: 如果上述的總線 Fault、存儲器管理Fault、用法 Fault 的處理程序不能被執行（例如禁能了總線 Fault、存儲器管理Fault、用法Fault的異常或者在這些異常處理程序中又出現了新的Fault）則觸發硬Fault。

在 MQX 操作系統啟動的時候會安裝上默認的異常中斷處理函數，當系統異常時會產生一個“unexpected”中斷，內核就會自動調用異常處理函數，同時也將運行用戶自定義的處理函數，來實現特殊故障的定位方法。

默認情況下，MQX把出現異常的任務掛起，避免故障進一步擴大。通過TAD 任務感知調試插件的Tasksummary 功能，我們可以觀察到出現異常的任務情況。

開發人員在調試期間，需要弄清楚系統異常觸發了哪類Fault，由什么原因觸發了Fault 以及定位觸發Fault的代碼。在這種情況下，可以利用自定義的Fault 中斷處理程序來分析

Fault 出錯原因。

為了解釋所述的 Fault中斷處理程序的原理，這里重述一下當系統產生異常時 MCU 的處理過程:

· 有一個壓棧的過程，若產生異常時使用PSP（進程棧指針），就壓入到 PSP 中，若產生異常時使用MSP（主棧指針），就壓入MSP 中。

· 會根據處理器的模式和使用的堆棧，設置LR 的值（當然設置完的LR 的值再壓棧）。

· 異常保存，硬件自動把 8個寄存器的值壓入堆棧（8 個寄存器依次為 xPSR、PC、LR、R12以及R3~R0）。如果異常發生時，當前的代碼正在使用PSP，則上面8 個寄存器壓入PSP; 否則就壓入MSP。

當系統產生異常時，我們需要兩個關鍵寄存器值，一個是 PC ，一個是 LR （鏈接寄存器），通過LR找到相應的堆棧，再通過堆棧找到觸發異常的PC 值。將產生異常時壓入棧的 PC值取出，并與反匯編的代碼對比就能得到哪條指令產生了異常。

這里解釋一下關于 LR寄存器的工作原理。如上所述，當 Cortex-M4處理器接受了一個異常后，寄存器組中的一些寄存器值會被自動壓入當前棧空間里，這其中就包括鏈接寄存器（LR ）。這時的 LR會被更新為異常返回時需要使用的特殊值（EXC_RETURN）。關于

EXC_RETURN的定義如下，其為 32 位數值，高 28 位置 1，第 0 位到第三位則提供了異常返回機制所需的信息，如下表所示。可見其中第 2位標示著進入異常前使用的棧是 MSP還是PSP。在異常處理過程結束時，MCU 需要根據該值來分配 SP的值。這也是本方法中用來判斷所使用堆棧的原理，其實現方法可以從后面_init_hardfault_isr 中看到。

另外，我們可以利用 MQX 的控制臺串口輸出Fault 異常信息來幫助調試。編寫Fault處理程序時，將啟動代碼中默認的Fault 處理程序跟換成自己需要的Fault處理程序。需要注意的是，由于是在中斷中進行打印輸出，MQX的控制臺串口只能使用POLL輪詢模式的驅動，不能使用中斷模式的驅動。

用戶可以編寫自定義的硬Fault 處理程序_int_hardfault_isr，修改 MQX的中斷向量定義vector.c，把里面的DEFAULT_VECTOR 代碼段換成下面的代碼。當系統出現硬Fault異常時，將會調用自定義的Fault處理_int_hardfault_isr函數。在這個函數，我們可以通過StackTrace-back 回溯出現問題的代碼。

我們可以在_int_hardfault_isr函數里將出現異常時的寄存器、堆棧、狀態寄存器等信息打印出來。如果系統出現異常時，一般情況都會通過串口控制臺打印出LR，PC的值。然后根據編譯器生成的map文件，找到出現問題的具體函數。

從上圖的串口輸出我們可以看到PC 和 LR 寄存器值，PC 的值為0x56c6，我們根據匯編代碼可以找到出現問題的指令。從而大大縮小了查找出現問題的范圍，可以幫助開發人員快速定位問題的根本原因。

附錄Fault異常中斷處理代碼：

// hard fault handler in C,
// with stack frame location as input parameter
void hard_fault_handler_c (unsigned int * hardfault_args)
{
unsigned int stacked_r0;
unsigned int stacked_r1;
unsigned int stacked_r2;
unsigned int stacked_r3;
unsigned int stacked_r12;
unsigned int stacked_lr;
unsigned int stacked_pc;
unsigned int stacked_psr;
stacked_r0 = ((unsigned long)hardfault_args[0]);
stacked_r1 = ((unsigned long)hardfault_args[1]);
stacked_r2 = ((unsigned long)hardfault_args[2]);
stacked_r3 = ((unsigned long)hardfault_args[3]);
stacked_r12 = ((unsigned long)hardfault_args[4]);
stacked_lr = ((unsigned long)hardfault_args[5]);
stacked_pc = ((unsigned long)hardfault_args[6]);
stacked_psr = ((unsigned long) hardfault_args[7]);
printf ("\n\n[Hard faulthandler - all numbers in hex]\n");
printf ("R0 = %x\n",stacked_r0);
printf ("R1 = %x\n",stacked_r1);
printf ("R2 = %x\n",stacked_r2);
printf ("R3 = %x\n",stacked_r3);
printf ("R12 = %x\n",stacked_r12);
printf ("LR [R14] = %x subroutine call return address\n",stacked_lr);
printf ("PC [R15] = %x program counter\n", stacked_pc);
printf ("PSR = %x\n",stacked_psr);
/******************* Add yourdebug trace here ***********************/
_int_kernel_isr();
}
/* hard fault interrupt handler */
void _int_hardfault_isr( )
{
__asm("TST LR, #4");
__asm("ITE EQ");
__asm("MRSEQ R0,MSP");
__asm("MRSNE R0,PSP");
__asm("Bhard_fault_handler_c");
}

復制代碼

fault_isr.c.zip (1.42 KB, 下載次數: 12)

vectors.c.zip (3.43 KB, 下載次數: 7)

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