stm32-Hardfault及内存溢出的查找方法

STM32内存结构

1.要点
1.1 两种存储类型: RAM 和 Flash
RAM可读可写，在STM32的内存结构上，RAM地址段分布[0x2000_0000, 0x2000_0000 + RAM size)
Flash只读，在STM32的内存结构上，Flash地址段[0x0800_0000, 0x2000_0000)
1.2 六类存储数据段: .data/.bss/.text/.constdata/heap/stack
.data数据段: 用来存放初始化了但不是初始化为0的全局变量(global)和静态变量（static）。它是可读可写的
.bss(Block Started by Symbol)数据段: 用于存放没有初始化或初始化为0的全局变量和静态变量，可读可写，如果没有初始化, 系统会将变量初始化为0.
.text代码段: 用来放程序代码（code）， 在代码编译完成后, 长久只读存放于此.
.constdata只读常量数据段: const限定的数据类型存放与此，只读.
heap堆区: 通常只我们说的动态内存分配,使用内存分配器(memory allocator)管理, malloc/free进行申请和释放
stack栈区: 在代码执行时用来保存函数的局部变量和参数。其操作方式类似于数据结构中的栈，是一种“后进先出”（Last In First Out，LIFO）的数据结构。这意味着最后放到栈上的数据，将会是第一个从栈上移走的数据，对于哪些暂时存储的信息，和不需要长时间保存的信息来说，LIFO这种数据结构非常理想。在调用函数或过程后，系统通常会清除栈上保存的局部变量、函数调用信息及其它信息。栈的顶部通常在可读写的RAM区的最后，其地址空间通常“向下减少”，即当栈上保存的数据越多，栈的地址就越小。

1.3 三种存储属性区: RO/RW/ZI
RO (Read Only ): 只读区域, 需要长久保存，烧写到Rom/Flash段,上文数据段的.text段和.constdata段属于此属性区(有时.constdata 段也被叫做 RO-data段, 和这个广义的RO注意区分)
RW (Read Write): 可读可写的初始化了的全局变量和静态变量段，上文中的.data段属于RW区
ZI (Zero Init): 没有进行初始化或者初始化为0，系统上电时会主动把此区域数据进行0初始化，上文的.bss段就是. 另外, 可翻看Keil工具编译的map文件，Heap和Stack区也进行了Zero的属性标注, 因此， Heap和Stack也可认为是ZI区域
RW区比较特别, 可读可写但又进行了初始化,因为RAM中的数据是掉电不可保存的，因此RW区的.data段数据也需要保存在Rom/Flash里面，上电时候再将此类数据复制到RAM区域读写使用。而ZI区域数据不需要掉电保存，直接上电时初始化为0即可使用，因此不需要保存在ROM中。这样，计算RAM/ROM占用空间的公式:

ROM Size = .text + .constdata + .data (RO + RW)
RAM Size = .bss + .data (ZI + RW)

这里RAM size计算时未考虑Stack和Heap区, 实际size是大于此的， 因为这两个区域具备动态变化的复杂性，难于估计。

定义一个全局数组变量举例:

1. static unsigned char test[1024];  //全局、未初始化, ZI区,不影响ROM size
2. static unsigned char test[1024] = {0};  //全局、初始化为0, ZI区,不影响ROM size
3. static unsigned char test[1024] = {1};  //全局、初始化为非0, RW(.data)区,ROM Size 扩大
1.4 扩展说说Heap
在STM32的启动代码startup_*.s文件中,一般这样定义了堆大小：

Heap_Size      EQU     0x200;

在实际使用中, 这个区域可能比1.2节提到的简洁描述更为复杂。

很多小项目没有使用内存分配器: 由于各种原因(RAM不足、程序简单、etc)，一些所必须的大块或固定内存直接使用数组的方式定义使用,绕开了内存分配器。那么这个时候, Heap_Size 的存在是没有意义的, Heap_Size 定义越大，越浪费空间，可以直接Heap_Size定义为0。这个时候, 本来该堆区提供的空间可能定义在了.bss段(全局/静态数组没有初始化)、或.data(全局/静态数据初始化为非0)、或Stack上(使用了局部数组变量, Tips: 但大的数组不建议定义在stack, 否则可能栈溢出)
重新实现内存分配器：没有直接将内存分配器直接映射在堆区，而是先定义大的数组内存(可能在.bss或.data, 为避免在ROM存储, 最好在.bss)， 再将这块内存给内存分配器支配使用
内存分配器直接使用Heap区: 这个时候就要计算好预留多少空间给Stack区, 留多了，Stack用不上浪费；留少了极可能造成Stack溢出而程序崩溃
除了使用自带RAM外，同时使用外部扩展RAM: 这就需要内存分配器来管理好几块地址不连续的RAM空间了

Stm32的keil编译连接如上图所示。

编译信息包含以下几个部分：
    1）Code: 代码段，存放程序的代码部分
    2）RO-data:只读数据段， 存放程序中定义的常量；
    3）RW-data: 读写数据段，存放初始化为非0值的全局变量
    4）ZI-data: 零数据段，存放未初始化的全局变量及初始化为0的变量；

编译完工程会生成一个. map 的文件，该文件说明了各个函数占用的尺寸和地址，在文件的最后几行也说明了上面几个字段的关系：

Total RO  Size (Code + RO Data)                46052 (  44.97kB)
Total RW  Size (RW Data + ZI Data)             36552 (  35.70kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)      46212 (  45.13kB)
    1）RO Size 包含了 Code 及 RO-data,表示程序占用Flash空间的大小
    2）RW Size 包含了RW-data及ZI-data，表示运行时占用的RAM的大小
    3）ROM Size 包含了Code, RO Data以及RW Data, 表示烧写程序所占用的Flash空间的大小

STM32中程序占用内存容量
Keil MDK下Code, RO-data,RW-data,ZI-data这几个段:

Code存储程序代码。
RO-data存储const常量和指令。
RW-data存储初始化值不为0的全局变量。
ZI-data存储未初始化的全局变量或初始化值为0的全局变量。
占用的Flash=Code + RO Data + RW Data;

运行消耗的最大RAM= RW-data+ZI-data;

这个是MDK编译之后能够得到的每个段的大小，例如下图Program Size 中的Code R0 RW ZI

可以计算出占用的FLASH = 34456+456+172=34.26kB，占用的RAM=172+18908=18.63kB

那么堆栈是如何分配的呢，堆栈的内存占用就是在上面RAM分配给RW-data+ZI-data之后的地址开始分配。

堆:编译器调用动态内存分配的内存区域。

栈:程序运行的时候局部变量的地方，先进后出，这种结构适合程序调用，所以局部变量用数组太大了都有可能造成栈溢出

堆栈溢出容易导致HaltFault。

堆栈大小的设置在启动文件start_stmf103xb.s中（以STM32F103为例）：

全局变量被未知原因改变的解决方法

在开发的过程中总会碰到一些奇怪的问题，仿真的时候一看，发现是某个全局变量被莫名其妙改变了，导致整个函数判断都出了问题。
全局变量可能会被改变的原因有以下几点：

1.自己改的（废话~）：好好查看这个变量被谁调用了

2.全局变量字节未对齐：
有一次调试的时候发现一个变量定义成局部变量就能正常运行，而定义成全局变量就不能运行了。局部变量能运行说明我程序的逻辑是没问题的，找原因的时候一看是我全局变量经常会莫名其妙被改变。找了一圈发现这个变量根本没被其他函数使用。
后面通过仿真，得到该变量的地址（假设为0x1002）。地址除以4之后发现不是一个整数，这才发现是这个变量字节未4字节对齐导致的。至于为什么不对齐，我也不知道！
解决方法：使用 attribute((aligned(4))) 修饰，使其4字节对齐，就完美解决了。

3.指针未初始化：
假如你定义的变量是指针类型的话，没有给他初始化则会导致该指针是个野指针，里面的值是不确定的。

总之开发的过程中，少用全局变量，要用的话尽量用结构体，做好分层，提高代码的可阅读性和移植性。

stm32-hardfault产生的原因分析

其实野指针，数组越界，堆栈溢出等等，都是由于触发了总线异常、存储器管理异常、使用异常中的一个或多个，才触发了hardfault。

1.内存的溢出，包括堆栈的溢出。
其 中 单 片 机 内 存 和 堆 栈 的 关 系 ， 可 以 参 考
http://blog.csdn.net/c12345423/article/details/53004747
2.越界访问。
这常指数组的使用，具体来说，访问只有5个元素的数组的第6个元素时，就出
现了越界访问。而这一错误，常常出现于数组作为函数参数传入时，由于只传入
指针，而函数中不确定指针访问的平移量，就可能出现越界访问的错误。值得注
意的是，C语言并没有越界访问的编译查询，也就是说，在编译时不会检测是否
存在越界访问。
3.错误使用flash造成的异常错误。
一是由于在使用flash存储数据时，其存储空间有可能和代码区重叠；二是由于
自身需求，需要转换指向flash的指针的指向类型，如转换成float*，使指针在
flash上以4个单位的间隔移动，但是由于flash是分区的，如果区首地址和被转
换指针之间的间隔不是4的倍数也会出现错误。
4.这一年大家都是自己画PCB，自己写程序，有时候会发现PCB的焊接也会造成
HardFault，并且这种错误从程序开始就会存在。
5.野指针寻址，除以0（也可能得出inf而不会产生错误）等常见C语法错误。

 

Kinetis MCU 采用 Cortex-M4 的内核，该内核的 Fault 异常可以捕获非法的内存访问和非法的编程行为。Fault异常能够检测到以下几类非法行为：
　　总线 Fault: 在取址、数据读/写、取中断变量、进入/退出中断时寄存器堆栈操作（入栈/出栈）时检测到内存访问错误。
　　存储器管理 Fault: 检测到内存访问违反了内存保护单元（MPU, MemoryProtection Unit）定义的区域。
　　用法 Fault: 检测到未定义的指令异常，未对其的多重加载/存储内存访问。如果使能相应控制位，还可以检测出除数为零以及其他未对齐的内存访问。
　　硬 Fault: 如果上述的总线 Fault、存储器管理 Fault、用法 Fault 的处理程序不能被执行（例如禁能了总线 Fault、存储器管理Fault、用法Fault 的异常或者在这些异常处理程序中又出现了新的Fault）则触发硬Fault。

为了解释所述的 Fault 中断处理程序的原理，这里重述一下当系统产生异常时 MCU 的处理过程:
　　１.　有一个压栈的过程，若产生异常时使用 PSP（进程栈指针），就压入到 PSP 中，若产生异常时使用MSP（主栈指针），就压入MSP 中。
　　２.　会根据处理器的模式和使用的堆栈，设置 LR 的值（当然设置完的LR 的值再压栈）。
　　３.　异常保存，硬件自动把 8 个寄存器的值压入堆栈（8 个寄存器依次为 xPSR、PC、LR、R12以及 R3~R0）。如果异常发生时，当前的代码正在使用PSP，则上面8 个寄存器压入PSP; 否则就压入MSP。

　　当系统产生异常时，我们需要两个关键寄存器值，一个是 PC ，一个是 LR （链接寄存器），通过 LR找到相应的堆栈，再通过堆栈找到触发异常的PC 值。将产生异常时压入栈的 PC 值取出，并与反汇编的代码对比就能得到哪条指令产生了异常。这里解释一下关于 LR 寄存器的工作原理。如上所述，当 Cortex-M4 处理器接受了一个异常后，寄存器组中的一些寄存器值会被自动压入当前栈空间里，这其中就包括链接寄存器（LR ）。这时的 LR 会被更新为异常返回时需要使用的特殊值（EXC_RETURN）。
　　关于EXC_RETURN 的定义如下，其为 32 位数值，高 28 位置 1，第 0 位到第三位则提供了异常返回机制所需的信息，如下表所示。可见其中第 2 位标示着进入异常前使用的栈是 MSP还是PSP。在异常处理过程结束时，MCU 需要根据该值来分配 SP 的值。这也是本方法中用来判断所使用堆栈的原理，其实现方法可以从后面_init_hardfault_isr 中看到。

 另外，我们可以利用 MQX 的控制台串口输出Fault 异常信息来帮助调试。编写Fault 处理程序时，将启动代码中默认的Fault 处理程序跟换成自己需要的Fault 处理程序。需要注意的是，由于是在中断中进行打印输出，MQX的控制台串口只能使用POLL 轮询模式的驱动，不能使用中断模式的驱动。
　　用户可以编写自定义的硬 Fault 处理程序_int_hardfault_isr，修改 MQX 的中断向量定义vector.c，把里面的DEFAULT_VECTOR 代码段换成下面的代码。当系统出现硬Fault 异常时，将会调用自定义的Fault 处理_int_hardfault_isr函数。在这个函数，我们可以通过StackTrace-back 回溯出现问题的代码。

我们可以在_int_hardfault_isr 函数里将出现异常时的寄存器、堆栈、状态寄存器等信息打印出来。如果系统出现异常时，一般情况都会通过串口控制台打印出LR，PC的值。然后根据编译器生成的map 文件，找到出现问题的具体函数。

 

从上图的串口输出我们可以看到 PC 和 LR 寄存器值，PC 的值为 0x56c6，我们根据汇编代码可以找到出现问题的指令。从而大大缩小了查找出现问题的范围，可以帮助开发人员快速定位问题的根本原因。

　　附录Fault异常中断处理代码：

// 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");
}

 

1. 在没有JTAG的情况下，通过串口打印出堆栈信息：

    /* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
     enum { r0, r1, r2, r3, r12, lr, pc, psr};
     
     /* Private define ------------------------------------------------------------*/
     /* Private macro -------------------------------------------------------------*/
     /* Private variables ---------------------------------------------------------*/
     extern __IO uint16_t ADC_InjectedConvertedValueTab[32];
     uint32_t Index = 0;
     
     /* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
     void Hard_Fault_Handler(uint32_t stack[]);
     
     /* Private functions ---------------------------------------------------------*/
     
     static void printUsageErrorMsg(uint32_t CFSRValue)
     {
         printf("Usage fault: \r\n");
         CFSRValue >>= 16; // right shift to lsb
     
         if((CFSRValue & (1<<9)) != 0) {
             printf("Divide by zero \r\n");
         }
         if((CFSRValue & (1<<8)) != 0) {
             printf("Unaligned access \r\n");
         }
     }
     
     static void printBusFaultErrorMsg(uint32_t CFSRValue)
     {
         printf("Bus fault: \r\n");
         CFSRValue = ((CFSRValue & 0x0000FF00) >> 8); // mask and right shift to lsb
     }
     
     static void printMemoryManagementErrorMsg(uint32_t CFSRValue)
     {
         printf("Memory Management fault: \r\n");
         CFSRValue &= 0x000000FF; // mask just mem faults
     }
     
     static void stackDump(uint32_t stack[])
     {
     　　static char msg[80];
     　　sprintf(msg, "R0 = 0x%08x\r\n", stack[r0]); printf(msg);
     　　sprintf(msg, "R1 = 0x%08x\r\n", stack[r1]); printf(msg);
     　　sprintf(msg, "R2 = 0x%08x\r\n", stack[r2]); printf(msg);
     　　sprintf(msg, "R3 = 0x%08x\r\n", stack[r3]); printf(msg);
     　　sprintf(msg, "R12 = 0x%08x\r\n", stack[r12]); printf(msg);
     　　sprintf(msg, "LR = 0x%08x\r\n", stack[lr]); printf(msg);
     　　sprintf(msg, "PC = 0x%08x\r\n", stack[pc]); printf(msg);
     　　sprintf(msg, "PSR = 0x%08x\r\n", stack[psr]); printf(msg);
     }
     
     void Hard_Fault_Handler(uint32_t stack[])
     {
     　　static char msg[80];
     　　//if((CoreDebug->DHCSR & 0x01) != 0) {
     　　　　printf("\r\nIn Hard Fault Handler\r\n");
     　　　　sprintf(msg, "SCB->HFSR = 0x%08x\r\n", SCB->HFSR);
     　　　　printf(msg);
     　　　　if ((SCB->HFSR & (1 << 30)) != 0) {
    　　　　 　　printf("Forced Hard Fault\r\n");
     　　　　　　sprintf(msg, "SCB->CFSR = 0x%08x\r\n", SCB->CFSR );
     　　　　　　printf(msg);
     　　　　　　if((SCB->CFSR & 0xFFFF0000) != 0) {
     　　　　　　　　printUsageErrorMsg(SCB->CFSR);
    　　　　　　 }
     　　　　　　if((SCB->CFSR & 0xFF00) != 0) {
     　　　　　　　　printBusFaultErrorMsg(SCB->CFSR);
     　　　　　　}
     　　　　　　if((SCB->CFSR & 0xFF) != 0) {
     　　　　　　　　printMemoryManagementErrorMsg(SCB->CFSR);
     　　　　　　}
     　　　　}
     　　　　stackDump(stack);
    　　 　　__ASM volatile("BKPT #01");
     　　//}
     　　while(1);
     }
     
     
     __ASM void HardFault_Handler_a(void)
     {
     　　IMPORT Hard_Fault_Handler
     
     　　TST lr, #4
     　　ITE EQ
     　　MRSEQ r0, MSP
     　　MRSNE r0, PSP
     　　B Hard_Fault_Handler
     }
     
     /**
     * @brief This function handles Hard Fault exception.
     * @param None
     * @retval None
     */
     void HardFault_Handler(void)
     {
     　　/* Go to infinite loop when Hard Fault exception occurs */
    　　HardFault_Handler_a();
     }