STM32单片机编程调试常见问题(一) HardFault_Handler故障分析与解决

一.概要

在嵌入式开发中，偶尔会遇到单片机HardFault_Handler死机的异常，单片机无法正常运行，出现Hardfault错误时，问题比较难定位的原因在于此时代码无法像正常运行时一样，所以显得无从下手。通常情况下我们都是通过在某个区间打断点，然后通过单步执行去逐步缩小“包围圈”去找到产生Hard Fault的代码位置，接着再去推敲、猜测问题的原因。对于不是很复杂的程序，这种方法是有效的，但是当用户代码量进一步增大，再用这种单步+断点去逐步缩小包围圈的方式就很难查到问题点，效率也很低。尤其是在有操作系统的应用中，很多代码的跳转是由操作系统调度的，不是严格的顺序执行，所以很难依靠缩小包围圈的方式去有效找到问题产生的点，进一步增加了定位到Hard Fault触发原因的难度。
本文就介绍了出现HardFault_Handler出现的原因，以及发现异常之后，问题的排查分析与解决方法。

二.什么是Hard fault

对于Cortex-M内核，架构采用错误异常的机制来检测问题，当内核检测到一个错误时，异常中断会被触发，并且内核会跳转到相应的异常中断处理函数执行。
错误异常的中断分为以下四种：
HardFault
MemManage
BusFault
UsageFault
其中hardfault为最常见的错误类型，并且在没有开启其他异常处理的情况下，默认进入hardfault异常中断处理函数。
void HardFault_Handler(void)
{
/* USER CODE BEGIN HardFault_IRQn 0 /
/ USER CODE END HardFault_IRQn 0 /
while (1)
{
/ USER CODE BEGIN W1_HardFault_IRQn 0 /
/ USER CODE END W1_HardFault_IRQn 0 */
}
}

三.Hard fault 产生的原因分析

硬件方面常见原因：
1.电源设计有错误，造成器件供电不稳；
2.电源质量不好，文波，噪声过大；
3.器件接地不良；
4.对于带有Vcap引脚的器件，管脚处理不当；
5.电路中有强干扰源，对器件造成干扰；

软件方面常见原因：
1.使用了空指针；
2.对地址偏移量的计算有误；
3.数组越界导致程序出错；
4.动态内存使用不当，导致访问了已释放的内存地址；
5.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。

由于异常发生时，内核将R0~R3、R12、Returnaddress、PSR寄存器依次入栈，其中Return address即为发生异常前PC将要执行的下一条指令地址，所以我们可以通过找到Return address，从而排查出产生异常的指令。

四.制作一个Hard fault程序并定位出问题原因

硬件准备：
STLINK接STM32F103C8T6小系统板，STLINK接电脑USB口。

程序准备：
在普通的GPIO例程中修改代码

uint32_t Data2=100,Data3;
uint8_t Temp[100],*p;
int main(void)
{/* USER CODE BEGIN 1 *//* USER CODE END 1 *//* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* USER CODE BEGIN SysInit *//* USER CODE END SysInit *//* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */Data3=Data2*100;memset(Temp,0x55,100);Data=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_3);Data3=100*(Data2-1);if(Data3>10){Data=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_3);	}memset(p,0x55,1000);memset(Temp,0x55,100);Data=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_3);/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}

下载完程序调试运行效果：

程序进入HardFault_Handler

查找问题步骤：

1.查看堆栈指针SP的地址以及内容

堆栈指针SP地址为0x20000468

查看Memory,地址为0x20000468

2.找到Return address地址

内核是将R0~R3、R12、Returnaddress、PSR等寄存器依次入栈，所以找到Return address是0x08000FE7

3.查看汇编界面

4.输入Return address地址，查找到问题代码

输入地址0x08000FE7

找到Return address的指令，以及上一条指令，发现上一条指令指针是空指针，问题找到

再举一个例子

uint32_t Data2=100,Data3;
uint8_t Databuff[10000];
uint8_t Temp[100];
void Datacpy(void)
{memcpy(Temp,Databuff,10000);}
int main(void)
{/* USER CODE BEGIN 1 *//* USER CODE END 1 *//* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* USER CODE BEGIN SysInit *//* USER CODE END SysInit *//* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */memset(Temp,0x55,100);Data=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_3);Data3=100*(Data2-1);if(Data3>10){Data=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_3);	}Datacpy();Data=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_3);/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}

根据上述方法，查出有问题的函数是void Datacpy(void)，Return Address是0x080001A3,发现是操作数组的时候越界了。

小结

使用调试工具和技术来定位HardFault的根源在单片机开发和调试中是必不可少的,可以帮助我们快速地排查问题所在，提供产品开发效率。