stm32 hard fault及堆棧探究

在調(diào)試RTC過程中，程序在主循環(huán)中執(zhí)行兩次后就進入hard fault的while(1)中斷，keil顯示調(diào)試窗口顯示imprecise data bus error。完善RTC配置的時序也無濟于事。網(wǎng)上查到一些hard fault的資料：

<STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual>2.3.2對hard fault, bus fault等有具體的解釋。keil的網(wǎng)站上也有概括性的解釋：hard fault由bus fault, memory management fault或usage fault引起，前者有固定的僅次于NMI的高優(yōu)先級；調(diào)試過程中出現(xiàn)的bus error屬于bus fault，是取指或取值時的內(nèi)存錯誤。ST論壇上對于hard fault的討論，大牛們說:

是由于讀寫了一個非法位置，

“100% of the hard faults Ive had are caused by variables accessing out of bounds.”，

"The Cortex-M3 pushes fault context on to the stack (some 8 dwords as I recall), I think Joseph Yiu has some example of instrumenting this. This could should permit you to determine the faulting PC. With this and the register info, and a map file you should be able to zero in on what is going on.

MRS R0, PSP ; Read PSP
LDR R1, [R0, #24] ; Read Saved PC from Stack" 能看到出錯的PC值倒是一個很方便的事情，不過還沒試過。

回頭看自己的程序，從最簡邏輯開始燒寫運行，發(fā)現(xiàn)當增加到在Time_Display()時進入了hard fault。檢查代碼，函數(shù)中定義了一個char類型數(shù)組，用于存放需要顯示到LCD上的時間字符串，但數(shù)組長度小于字符串長度。增大長度，就解決了問題。果然如大牛們所說，問題存在于數(shù)組越界。

之前我也犯過類似錯誤，可當時的現(xiàn)象是，串口實際發(fā)出的數(shù)據(jù)和數(shù)組中的數(shù)據(jù)相比，后半部分時對時錯。當時的變量為全局變量，此處變量為局部變量。查到如下說明：“一個由c/C++編譯的程序占用的內(nèi)存分為以下幾個部分: 1、棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。2、堆區(qū)（heap） — 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由OS回收 。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表，呵呵。3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—，全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。 - 程序結(jié)束后有系統(tǒng)釋放. 4、文字常量區(qū)—常量字符串就是放在這里的。 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放. 5、程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進制代碼。”全局變量儲存在全局區(qū)，它的越界將影響其他變量的值，對程序運行不會有致命影響。局部變量在棧中，同時入棧的還有函數(shù)的回退地址，函數(shù)參數(shù)等。本次出現(xiàn)問題的代碼段為：

在Time_Display()中通過用sprintf將地址賦值給變量（即代碼中注視掉的sprintf語句），并在LCD上顯示的辦法觀察到，棧內(nèi)的變量分布情況為：

可以看出，棧從內(nèi)存地址高位向低位生長，參數(shù)在棧底，變量按照定義的順序依次往上摞。系統(tǒng)給buf多留了兩字節(jié)的空間，其余變量（包括函數(shù)參數(shù)timevar和局部變量TXX）在內(nèi)存中依次緊密排列，沒有出現(xiàn)windows中將函數(shù)回退地址的入棧時間放于參數(shù)之后，使參數(shù)和變量之間有四字節(jié)空隙的情況。這說明函數(shù)的回退地址和一些寄存器的入棧保存另有其他時機。同時注意到，代碼中有用sprintf取得變量地址的語句時，工作正常，不會進入hardfault。因此有必要比較兩段代碼對內(nèi)存空間造成的影響。

1. 進入hard fault是在Time_Show()函數(shù)一個循環(huán)執(zhí)行完畢時。因此有必要看一下匯編，了解具體對寄存器和內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀寫操作：

在這一段中，R4存放變量TimeDisplay的地址，R0為TimeDisplay的值。循環(huán)的最后一步，寄存器R4中的地址加0作為新地址，R5從內(nèi)存中的該新地址取值存入。如果R4指向的地址非法，則讀取該地址很有可能產(chǎn)生hard fault。

2.查看Time_Display()的匯編

（1）添加了顯示變量地址的代碼，而無hard fault的情況。

主循環(huán)的起始部分匯編代碼如下，每次進入循環(huán)只需將Time_Display()時入棧的回退地址彈出作為PC。

剛進入Time_Display()時的匯編代碼如下，進入時將R0和LR寄存器壓入棧中。

此時STM32芯片寄存器和內(nèi)存的情況如下圖所示。

根絕匯編中把R0和LR壓入棧中的指令，對應(yīng)LR和R0的值，在局部變量所在內(nèi)存空間尋找，可以發(fā)現(xiàn)LR最先入棧，接著是函數(shù)參數(shù)和其余變量，這和最開始打印出的各變量地址也是吻合的。因此，如果buf越界不是太多，只是改寫了其余局部變量的數(shù)據(jù)，不影響回退地址。另外，查看函數(shù)所有匯編代碼，沒有對R4的操作。至函數(shù)執(zhí)行完成并返回，R4的值始終為0x20000000。綜上，函數(shù)可以繼續(xù)執(zhí)行而不會出錯。

（2）產(chǎn)生hard fault的情況。

主循環(huán)的起始部分匯編代碼如下，需要在Time_Display()后的寄存器值和回退地址都彈出。

剛進入Time_Display()時的匯編代碼如下，將R0-R4，及LR都壓入棧中。

此時STM32芯片寄存器和內(nèi)存的情況如下圖所示。

此時buf的地址為0x200003ec，即R1的起始位置。變量和寄存器值的覆蓋關(guān)系，或許是編譯器檢測到R1~R3的值在出棧后將不會被使用，而對內(nèi)存進行的優(yōu)化。此時內(nèi)存中沒有其他局部變量的位置，是因為在改動了代碼的情況下，編譯器判斷為，只需在寄存器里就可以完成計算操作，因此改變了函數(shù)的匯編代碼，沒有占用內(nèi)存空間。buf的賦值是按從低地址到高地址的順序進行的。從內(nèi)存的分配圖中可以看出，如果buf越界，數(shù)組元素超過12個，就將影響到R4的內(nèi)容。而如1中所述，R4的內(nèi)容是Time_Display()退出后，需要讀取的內(nèi)存地址。如果經(jīng)sprintf()后，buf內(nèi)有15個字符，加上0x00，共16個字符，正好完全覆蓋R4，且R4的最高位為0x00，顯然是一個非法的內(nèi)存空間，因此將進入hard fault。如果buf內(nèi)的字符數(shù)落在(12,16)區(qū)間內(nèi)，R4的地址合法（仍為0x20開頭），不會進入hard fault，但地址已被修改，錯誤的內(nèi)存空間中數(shù)值未知，程序跑飛。這些分析與實際測試結(jié)果是一致的。

問題得到了解釋，也不知花了一天時間分析這些值不值。出錯與否，除了程序本身的正確以外，編譯器將C翻譯成匯編的發(fā)揮程度也是很大的決定因素。想避免這些頭疼的問題，結(jié)論就一句話：數(shù)組不要越界。