单片机Hard fault 产生原因和错误跟踪的方法

一、单片机 Hard fault产生的原因

Hard fault产生的原因有两方面，硬件方面和软件方面。

①硬件方面常见原因： 

电源设计有错误，造成器件供电不稳； 

电源质量不好，纹波，噪声过大； 

器件接地不良； 

对于带有 Vcap 引脚的器件，管脚处理不当； 

电路中有强干扰源，对器件造成干扰； 

②软件方面常见原因： 

使用了空指针； 

对地址偏移量的计算有误； 

数组越界导致程序出错； 

动态内存使用不当，导致访问了已释放的内存地址； 

通过地址访问了已失效的局部变量； 

一般因为硬件造成 Hard Fault 错误的可能性较低，大多数都是软件原因造成的。所以遇到硬件中断错误，基本就是通过软件来排查。

二、CmBacktrace软件包

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：

①支持的错误包括：断言（assert） 故障（Hard Fault, Memory Management Fault, Bus Fault, Usage Fault, Debug Fault）

②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；

③输出错误现场的 函数调用栈（需配合 addr2line 工具进行精确定位），还原发生错误时的现场信息，定位问题代码位置、逻辑更加快捷、精准。也可以在正常状态下使用该库，获取当前的函数调用栈；

④支持裸机及以下操作系统平台：RT-Thread UCOS FreeRTOS（需修改源码）

⑤根据错误现场状态，输出对应的 线程栈 或 C 主栈；

⑥故障诊断信息支持多国语言（目前：简体中文、英文）；

⑦适配 Cortex-M0/M3/M4/M7 MCU；

⑧支持 IAR、KEIL、GCC 编译器； 

如何移植 

准备工作 

①查看 \demos 目录下有没有合适自己的 Demo ，如有类似，则建议在其基础上修改 ；

②明确操作系统/裸机平台及 CPU 平台 ；

③将 \src 下的全部源文件添加至产品工程中，并保证源码目录被添加至头文件路径 ；

④cmb_fault.s 汇编文件（点击查看）可以选择性添加至工程，添加后需要把项目原有的 HardFault_Handler 注释掉 

⑤把 cm_backtrace_init 函数放在项目初始化地方执行 

⑥将 cm_backtrace_assert 放在项目的断言函数中执行，具体使用方法参照下面的 API 说明 

⑦如果第 4 步骤没有将 cmb_fault.s 汇编文件启用，则需要将 cm_backtrace_fault 放到故障处理函数（例如：HardFault_Handler ）中执行，具体使用方法参照下面的 API 说明 配置说明 配置文件名：cmb_cfg.h ，针对不同的平台和场景，用户需要自自行手动配置，常用配置如下：

注意：以上部分配置的内容可以在 cmb_def.h 中选择，更多灵活的配置请阅读源码。

三、addr2line工具

addr2line （它是标准的 GNU Binutils 中的一部分）是一个可以将指令的地址和可执行映像转换成文件名、函数名和源代码行数的工具。

如何获得 addr2line，Linux 系统一般会集成这个工具，本文重点介绍 Windows 系统下如何获取该工具。方法很多，我这里仅介绍两种方式。

第一种：安装 MinGW（网上教程很多，自行搜索），安装后在其安装目录的 bin 文件夹里会包含 addr2line.exe ，此时只用保证环境变量 path 中包含该路径即可；

第二种（XP 平台除外）：在本项目的 tools 文件夹中已存放 addr2line.exe ，可以将其直接拷贝至 C:\Windows 下，或者将 CmBacktrace 仓库的 tools 文件夹路径添加至到环境变量 path 中，这样都能保证命令行工具能正常使用 addr2line 命令。

四、实际测试

基于rt-thread的bsp工程测试。使用env工具添加软件包，如下图

重新生成工程，看到软件包已经添加。

使用方法，系统自动初始化了函数int rt_cm_backtrace_init(void)，也可以不使用自动初始化函数改为手动调用初始化。

直接编译，无错误，下载到测试板进行测试，测试指令

cmb_test DIVBYZERO

[2023-06-20 09:41:46.648]
TX：cmb_test DIVBYZERO


[2023-06-20 09:41:47.852]
RX：cmb_test DIVBYZERO
thread   pri  status      sp     stack size max used left tick  error
-------- ---  ------- ---------- ----------  ------  ---------- ---
tshell    20  running 0x00000098 0x00001000    04%   0x00000007 000
tidle0    31  ready   0x00000048 0x00000400    10%   0x00000009 000
main      10  suspend 0x00000084 0x00000800    12%   0x00000013 000
 Firmware name: rtthread, hardware version: 1.0, software version: 1.0 Fault on thread tshell ===== Thread stack information =====   addr: 20002bf0    data: 00000000   addr: 20002bf4    data: 00000008   addr: 20002bf8    data: 20001b6a   addr: 20002bfc    data: 08002f41   addr: 20002c00    data: 00000000   addr: 20002c04    data: 20001b6a   addr: 20002c08    data: 20001b73   addr: 20002c0c    data: 00000000   addr: 20002c10    data: 00000000   addr: 20002c14    data: 00000000   addr: 20002c18    data: 00000000   addr: 20002c1c    data: 00000000   addr: 20002c20    data: 00000000   addr: 20002c24    data: 00000000   addr: 20002c28    data: 00000000   addr: 20002c2c    data: 20001b6a   addr: 20002c30    data: 00000012   addr: 20002c34    data: deadbeef   addr: 20002c38    data: deadbeef   addr: 20002c3c    data: deadbeef   addr: 20002c40    data: deadbeef   addr: 20002c44    data: 08006437   addr: 20002c48    data: 00000000   addr: 20002c4c    data: 0000000d   addr: 20002c50    data: 200005c0   addr: 20002c54    data: 08004ba5   addr: 20002c58    data: 23232323 ==================================== =================== Registers information ====================   R0 : 00000000  R1 : 08003fe8  R2 : 08003fe8  R3 : 80808000   R12: 01010101  LR : 08003f37  PC : 08003f36  PSR: 61000000 ============================================================== Usage fault is caused by Indicates a divide by zero has taken place (can be set only if DIV_0_TRP is set) Show more call stack info by run: addr2line -e rtthread.axf -a -f 08003f36 08003f36 08002f40 08006436 08004ba4

测试结果，如上。

使用powershell输入指令，将目录切换到工程输出的可执行文件下。

再执行addr2line指令

addr2line -e rt-thread.axf -a -f 08003f36 08003f36 08002f40 08006436 08004ba4

根据提示可查看相应的代码即可。

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参考：

https://www.gd32mcu.com/data/documents/userManual/AN028_CN_Rev1.0.pdf


https://www.gd32mcu.com/data/documents/userManual/AN020_CN_Rev1.0.pdf


https://gitee.com/RT-Thread-Mirror/CmBacktrace


https://www.bilibili.com/video/BV1LB4y1Q78a/?vd_source=f58225e38b5a8bc42ab3351918ec20e5