ASR560X 系列 HardFault 问题分析参考指南
前言
关于本文档
本文旨在介绍 ASR560X 系列芯片平台开发过程中遇到 HardFault 问题后的分析方法。
读者对象
本文档主要适用于以下工程师：
单板硬件开发工程师
软件工程师
技术支持工程师
产品型号
本文档适用于 ASR560X 系列蓝牙芯片。
Model |
Protocol |
Core |
SiP Flash |
Function |
|---|---|---|---|---|
ASR560X |
BLE 5.1 full feature (compatible with 5.2) SIG MESH V1.0.x IEEE 802.15.4 2.4G Proprietary |
ARM CM0+ |
1 MB/ 512 KB |
AOA/AOD/Voice/IRTxRx/ Quadrature Decoder/Keypad/ 5V UART/5V GPIO/ Wi-Fi concurrent |
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文档修订历史
日期 |
版本号 |
发布说明 |
|---|---|---|
2023.05 |
V1.0.0 |
首次发布。 |
1. 内核寄存器
ASR560X 系列芯片平台使用的是 ARM Cortex-M0+ 内核，对应的核心寄存器如下图。
其中，
R0~R12：通用寄存器。
SP (R13)：堆栈指针，指向当前堆栈的栈底。借助此寄存器可以查看堆栈的内容以及回溯函数调用。
LR (R14)：链接寄存器，当进行子函数调用时将用于保存子程序的返回地址。当 PC 值为 0 时，可以参考此寄存器值进行定位。
PC (R15)：程序计数寄存器，对应 CPU 正在执行指令的地址。
PSR：执行状态寄存器。
备注
如遇到 HardFault 问题需要借助上述寄存器信息来进行分析，后续章节将详细介绍分析方法。
2.参考分析流程一
2.1 问题举例（PC地址非零）
问题描述：客户在使用 ASR5601 开发应用时出现 HardFault 问题，在 makefile 中调整 lib 的 linker 顺序后，问题消失。
客户诉求：分析出现该问题的原因以及给出对应的解决方案
开发平台：ASR5601
版本信息：BLE NONOS SDK v1.4.1
测试环境：ASR5601 QFN32 EVB + 用户应用固件
复现概率：100%
Log 信息：
In HardFault Handler
r0 = 0x1005b844
r1 = 0x1005b802
r2 = 0x1005b7f7
r3 = 0x 1
r12 = 0x2000957d
lr = 0x10054917
pc = 0x10054918
psr = 0x21000000
2.2 问题分析
步骤1：从 Log 信息中的 PC 地址可以知道 HardFault 的位置；
步骤2：为了查找问题线索，需要通过反汇编将 PC 地址对应的函数以及汇编指令定位出来。反
汇编指令参考如下：arm-none-eabi-objdump.exe -D –s demo.elf >demo.asm;
步骤3：查看反汇编文件中 PC 地址对应的信息，如下图：
步骤4：从步骤 3 可以知道，是“LDR”汇编指令引起了 HardFault；
步骤5: 因为 5601 使用 cortex-M0+ 内核，需要参考ARMv6-M Architecture Reference Manual，查询哪些异常行为会触发“LDR”汇编指令异常；
步骤6：从步骤 5 的文档可以知道，ARMv6-M 架构（Cortex-M0, Cortex-M0+, Cortex-M1）强制要求”LDR”指令按 word 对齐的方式访问；
步骤7：按照步骤 6 查到的要求，跟踪反汇编代码。如下图：
步骤8：结合客户反馈，调用 sdk_init 函数后才会出现 HardFault，最终跟踪到 ms_ble_sdk_init 函数会调用 ms_ble_sdk_state_flag_set。如下图：
步骤9：根据步骤 8 跟踪到的调用关系可以知道，ms_ble_sdk_state_flag_set 函数传递的第一个参数的地址是 0x20003d45。可以在客户提供的 map 文件中查到对应的变量是 g_ble_dev_state。如下图：
步骤10：参考步骤 9 的分析。目前定位到是 g_ble_dev_state 变量未按 word 对齐，导致了“LDR”汇编指令出现了 alignment fault。而交换了 lib linker 顺序后可以正常运行的固件，对应的 map 文件中 g_ble_dev_state 变量地址是按 word 对齐的。如下图：
2.3 问题模拟测试
对齐客户的测试环境，在 5601 BLE NONOS SDK V1.4.1 中进行模拟测试。测试代码如下图：传递一个非 word 对齐地址给到 test 函数，test 函数里进行 word 访问会出现“LDR“汇编指令 HardFault。
2.4 问题解决方案
调整非法访问代码，例如按 Byte 去访问对应的变量；
对于g_ble_dev_state结构体变量，使用编译属性强制要求变量 word 对齐。
例如：
typedef struct attribute((aligned(4)))
{
… …
}
2.5 问题影响范围分析
调整非法访问代码影响：软件上按单个 Byte 操作对应的内容即可，功能上不会有影响；
变量 word 对齐修改影响：只是调整单个变量对应 RAM 地址，不会影响其它逻辑。
2.6 问题拓展
ARMv7-M架构（Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7）的对齐要求，如下图：
ARMv7-M 架构（Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7）可以通过 ARMv7-M Architecture Reference Manual -> B1.5.14 Fault behavior->List of ARMv7-M faults 中的描述了解到 faults 产生的原因。ARMv6-M 架构没有这个功能。
如果要求变量按指定的边界对齐，只能在定义变量时使用 __attribute__((aligned(n))) 属性进行要求。
2.7 问题总结
产生 HardFault 的原因较多，需要结合内核架构参考手册、faults 时 dump 出来的寄存器值以及反汇编代码等信息跟踪问题。
3.参考分析流程二
3.1 问题举例（PC 地址为零）
问题描述：客户使用 5601 开发应用时出现 HardFault 问题，在注释掉 app_add_profiles() 函数后问题消失
客户诉求： 分析出现该问题的原因以及给出对应的解决方案
开发平台： 5601
版本信息： BLE NONOS SDK v1.7.1
测试环境： 5601 QFN32 EVB + 用户应用固件
复现概率： 100%
Log 信息：
In HardFault Handler
r0 = 0x14
r1 = 0x2000a376
r2 = 0x1
r3 = 0x0
r12 = 0x2000a905
lr = 0x10054295
pc = 0x0
psr = 0x60000000
3.2 问题分析
步骤 1：在 PC 为 0 的情况下，可以借助 LR(R13) 寄存器值 0x10054295 进行定位。
步骤 2：为了查找问题线索，需要通过反汇编将 PC 地址对应的函数以及汇编指令定位出来。反汇编令参考如下：arm-none-eabi-objdump.exe -D –s demo.elf >demo.asm。
步骤 3：查看反汇编文件中 LR 寄存器值对应的函数信息，如下图：
步骤 4：因“b.n”指令是 Thumb 指令且 bit [0]必须为 1，所以 lr = 0x10054295 实际对应 0x10054294 指令，那么导致 HardFault 的指令确认为 0x10054292 地址对应的 BLX 汇编指令。
步骤 5：因为 5601 使用 cortex-M0+ 内核，需要参考ARMv6-M Architecture Reference Manual，查询 BLX 异常行是否会触发 HardFault。
步骤 6：从步骤 5 的文档可以知道， ARMv6-M 架构（Cortex-M0, Cortex-M0+, Cortex-M1）描述到：如果 Rm 的 [0] 位为 0，BLX 指令将导致 HardFault 异常。
步骤 7: 参考步骤 6 的分析，结合 0x10054292 地址对应汇编指令内容以及 R3 寄存器的值，确认是 R3 寄存器值为 0 引起的 HardFault。BLX 汇编指令主要用于子函数的跳转执行，而此时跳转的地址为 0，说明应用中有空指针的情况。
步骤 8：根据 R0 寄存器（0x14）的值，跟踪 prf_itf_get() 函数反汇编流程，分析结果如下图：
步骤 9：参考步骤 8 的分析，根据 R3 寄存器的值（0x20004c14）确认异常是由于pf_diss_prf_itf_get变量的值为0导致。
步骤 10：参考步骤 9 的分析，确认跟 diss 服务相关。继续排查代码中 diss 服务添加流程，发现 sonata_prf_diss_init() 未被正常调用。
步骤 11: 根据步骤 10 分析情况，在增加 sonata_prf_diss_init() 函数调用流程，并进行重编译烧录后，app 可以正常运行，未出现 HardFault 的情况。
3.3 问题模拟测试
对齐客户的测试环境，在 5601 BLE NONOS SDK V1.7.1 中进行模拟测试。
使用 sonata_hl_beacon_rel 例程，在屏蔽 sonata_prf_diss_init() 函数调用，进行重编译烧录后，HardFault 问题必现。
3.4 问题解决方案
增加 sonata_prf_diss_init() 函数调用步骤，确保后续添加 profile 流程正常执行。
3.5 问题总结
如果 PC 地址为零时，可以结合 LR 地址、内核架构参考手册、faults 时 dump 出来的寄存器值以及反汇编代码等信息进行跟踪问题。
4.参考资料
ARM Cortex-M 架构相关的资料汇总链接如下：