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上次编辑时间
Sep 10, 2025 07:00 AM
背景：
用 Keil 进行Debug时，有时候点运行会发现程序跑飞了，点击停止运行，发现程序停在HardFault_Handler函数里的死循环，这说明stm32出现了硬件错误。
stm32触发HardFault一般就几种原因：
- 内存溢出或访问越界
- 非法内存访问：访问未分配的内存区域或是只读存储区
- 访问野指针
- 数组越界
- 栈溢出
定位错误代码办法：
一、手动栈回溯
进入HardFault后，查看左侧Registers Window窗口，在寄存器查看窗口查找R14(LR)的值。
- 如果R14(LR) = 0xFFFFFFE9，继续查看MSP（主堆栈指针）的值；
- 如果R14(LR) = 0xFFFFFFFD，继续查看PSP（进程栈指针）的值。
以上这么做的原因如下（展开折叠）
在Cortex_M3权威指南中可以看到如下图所示：
发生异常之后可首先查看LR寄存器中的值，确定当前使用堆栈为MSP或PSP，然后找到相应堆栈的指针，并在内存中查看相应堆栈里的内容。
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。
我的程序R14(LR) = 0xFFFFFFE9，注意这里R13(SP)的值实际上与MSP的值一致。
Keil菜单栏点击“View”——“Memory Windows”——“Memory1”，在“Address”地址栏中输入MSP的值：
0x200005F8，然后在对应行里找到地址。地址一般以0x08开头的32位数。注意从右往左看。
发生异常后我们可以首先查看LR寄存器的值，确认当前使用的堆栈是MSP还是PSP，然后找到相对应的堆栈指针，并在内存中查看相对应堆栈的内容，内核将R0~R3，R12，LR，PC(Return address)，xPRS寄存器依次入栈，其中堆栈后第25个字节到28字节PC(Return address)即为发生异常前PC将要执行的下一条指令地址。
LR存储的是函数的返回地址，即函数被调用完后的下一条指令地址。而PC存储的是下一条即将要执行的指令的地址
本例中，LR地址为0x08000E49,PC地址为0x08000E48:
设置后如下图：
【补充】
从Memory1中可以看到0x200005F8开始的第一个32位值就对应了R0的值，后面也分别对应了R1，R2，R3，R12
随后在Keil菜单栏点击“View”——“Disassembly Window”（这个反汇编窗口一般默认已经开启），在“Disassembly”窗口中右击，在下拉菜单中选择“Show Disassemblyat Address…”。在弹出框“Show Code atAdress”的地址框中输入地址0x08000E49进行搜索，然后就会找到相对应的代码。这里的代码就是进入循环中断之前的情况。仔细查看附近区域的相关代码来排查错误具体原因。
随后发现已经跳转到错误代码附近：
二、Keil Call Stack功能
在Keil菜单栏点击“View”——“Call Stack Window”弹出“Call Stack + Locals”对话框。
然后在对话框中HardFault_Handler处右键选择“Show Caller Code”，就会跳转到出错之前的函数处，仔细查看这部分函数被调用或者内存使用情况。（有时不一定有效）
原理解释：
可参考Cortex-M3权威指南第九章：中断的具体行为
解释一下当系统产生异常时 MCU 的处理过程:
- 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。
- 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）。
- 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。
再解释一下关于 LR 寄存器的工作原理。如上所述，当 Cortex-M3 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。
不难发现，这里FFF9中的 9 对应的就是1001，即第二位为0，表示使用主栈
FFFD同理，D 对应1101，即第二位为1，表示使用从栈
基础补充：
一、Cortex-M3寄存器介绍
Cortex-M3处理器拥有R0~R15的寄存器组。其中R13作为堆栈指针SP。SP有两个，但是在同一时刻只能看到一个，就是所谓的“banked”寄存器。
二、双堆栈指针MSP和PSP
Cortex-M3处理器拥有R0-R15的寄存器组。其中R13作为堆栈指针SP。SP有两个，但在同一时刻只能有一个可以看到，这也就是所谓的“banked” 寄存器。
拥有两个SP寄存器，意味着我们可以拥有两个函数调用栈：MSP和PSP
正是使用了双堆栈，即MSP和PSP，这极大的方便了OS的设计。
MSP的含义是Main_Stack_Pointer，即主栈
PSP的含义是 Process_Stack_Pointer,即任务栈（或进程堆栈，有的也叫从栈）
那什么时候使用MSP，什么时候使用PSP呢？
也就是说SP寄存器中的值在某一时刻到底是使用MSP的值还是PSP的值？
这是根据CONTROL寄存器的bit1来决定的：
- 当CONTROL的bit1为0使用MSP(默认方式)
- 当CONTROL的bit1为1使用PSP
在裸机开发中，CONTROL的bit1始终是0，也就是说裸机开发中全程使用MSP，并没有使用PSP。在执行后台程序(大循环程序)SP使用的是MSP，在执行前台程序(中断服务程序)SP使用的也是MSP。
在OS开发中，当运行中断服务程序的时候CONTROL的bit1是0，SP使用的是MSP；
当运行线程程序的时候CONTROL的bit1是1，SP使用的是PSP。
当 CONTROL[1]=1 时，线程模式将不再使用 MSP，而改用 PSP（handler 模式永远使用 MSP）。
这样做的好处在哪里？
原来，在使用 OS 的环境下，只要 OS 内核仅在 handler 模式下执行，用户应用程序仅在用户模式下执行，这种双堆栈机制派上了用场——防止用户程序的堆栈错误破坏 OS 使用的堆栈。
注：此时，进入异常时的自动压栈使用的是进程堆栈，进入异常 handler 后才自动改为 MSP，退出异常时切换回 PSP，并且从进程堆栈上弹出数据。（可以看下图）
【双堆栈指针在OS中的应用】
典型的OS环境中，MSP和PSP的用法如下：
- MSP用于OS内核和异常处理。
- PSP用于应用任务
拓展
当进入HardFault断点后，菜单栏Peripherals >Core Peripherals >FaultReports打开异常发生的报告，可以查看异常报告。
Keil异常报告
发生了总线 fault 后，我们将如何找出该 fault 的事故原因呢？
在这里，NVIC 提供了 若干个 fault 状态寄存器：
