STM32 产生Hard Fault 调试方法

STM32 产生hard-fault 调试方法

需求

当STM32 产生Hard Fault的时候我们希望可以打印出一些重要的寄存器信息，然后定位代码出错的地方。

参考

https://github.com/ferenc-nemeth/arm-hard-fault-handler

原理

STM32代码运行的时候一般在是main函数while(1)中循环的运行代码，在运行代码的过程中突然发生了Hard Fault错误，则会产生一个中断。中断产生的时候CPU会将一些重要的寄存器压入栈中，这个动作是CPU自动运行的，无需代码控制。那么我们就可以在中断的服务函数里面获取栈的地址，然后将重要的寄存器信息打印出来即可。

备注：STM32有两个栈指针，分别是MSP和PSP，所以在HardFault_Handler中需要判断产生中断之前使用的是MSP还是PSP。

下面是核心代码。
void HardFault_Handler(void)
{
  __asm volatile
  (
      "TST    LR, #0b0100;      "
      "ITE    EQ;               "			   //判断堆栈指针使用的是MSP还是PSP。
      "MRSEQ  R0, MSP;          "              // 如果是MSP则将MSP的值放在R0，作为ReportHardFault函数的第一个参数。
      "MRSNE  R0, PSP;          "			  // 如果是MSP则将MSP的值放在R0，作为ReportHardFault函数的第一个参数。
      "MOV    R1, LR;           "			    // 将LR的值放在R1寄存器，作为ReportHardFault函数的第二个参数。
      "B      ReportHardFault;  "             //跳转到ReportHardFault函数，在这个函数可以打印出产生hard fault时候的堆栈信息。
  );
}

备注：
1、LR保存的是产生中断的时候CPU下一步要执行的指令，可以通过使用 BX LR 指令返回，这会触发硬件恢复之前保存的上下文。
2、在STM32中，产生中断的时候，CPU会将一些重要的寄存器数据压入堆栈中，这些寄存器是r0、r1、r2、r3、r12、lr、pc、psr。
所以我们HardFault_Handler中断函数中第一时间就获取SP的值，从而找到产生中断的时候堆栈的指针的值是多少，
从而打印出产生Hard Fault时候代码运行到那里。

void ReportHardFault(uint32_t *stack_frame, uint32_t exc)
{
  uint32_t r0   = stack_frame[0];			//备注：stack_frame是产生中断的时候，将重要的寄存器压栈后的地址。
  uint32_t r1   = stack_frame[1];
  uint32_t r2   = stack_frame[2];
  uint32_t r3   = stack_frame[3];
  uint32_t r12  = stack_frame[4];
  uint32_t lr   = stack_frame[5];
  uint32_t pc   = stack_frame[6];
  uint32_t psr  = stack_frame[7];
  
  uint32_t hfsr = SCB->HFSR;     //这是重要的错误寄存器信息，可以查找数据手册知道产生什么错误。
  uint32_t cfsr = SCB->CFSR;
  uint32_t mmar = SCB->MMFAR;
  uint32_t bfar = SCB->BFAR;
  uint32_t afsr = SCB->AFSR;

 //下面的代码将堆栈的信息打印出来。
}

背景知识补充

MSP 和 PSP

在 STM32 微控制器中，MSP（Main Stack Pointer）和 PSP（Process Stack Pointer）是两个用于管理堆栈的指针。它们是 ARM Cortex-M 处理器架构的一部分，用于在不同模式下进行堆栈操作管理。

MSP（Main Stack Pointer）

MSP（Main Stack Pointer）是主堆栈指针。

通常用于系统模式或特权模式下的堆栈操作。

在复位后，处理器默认使用 MSP 作为堆栈指针。

一般情况下，操作系统或裸机程序中的中断服务程序和异常处理程序使用 MSP。

PSP（Process Stack Pointer）

PSP（Process Stack Pointer）是进程堆栈指针。

通常用于用户模式或线程模式下的堆栈操作。

在使用操作系统（例如 FreeRTOS）时，每个任务或线程可以使用 PSP 进行独立的堆栈管理，从而实现任务的隔离。

PSP 允许应用程序在不同的模式下使用不同的堆栈，提供更好的灵活性和安全性。