nRF5 HardFault与死机等错误调试

arm-none-eabi-addr2line概述：

arm-none-eabi-addr2line 是 GNU Binutils 软件包的一部分，专门用于 ARM Cortex-M 等嵌入式系统的调试工具。它的主要功能是将程序中的地址转换为源代码中的文件名和行号，这对于调试和诊断程序中的错误特别有帮助。是 ARM 嵌入式开发中重要的调试工具，尤其在程序崩溃或未知问题发生时，能够帮助开发者快速定位问题所在。通过将地址转换为可读的文件和行号信息，它极大地加快了调试过程。此工具可以将一个内存地址或程序计数器值（PC值）映射回生成该机器指令的源代码文件及行号。它对于从调试信息中恢复源代码位置很有用，特别是在定位内存地址或分析错误时。通常情况下，这种地址信息来自于内存转储（例如硬件故障或程序崩溃时的堆栈回溯）。

arm-none-eabi-addr2line –help：

Usage: arm-none-eabi-addr2line.exe [option(s)] [addr(s)]
 Convert addresses into line number/file name pairs.
 If no addresses are specified on the command line, they will be read from stdin
 The options are:
  @<file>                Read options from <file>
  -a --addresses         Show addresses
  -b --target=<bfdname>  Set the binary file format
  -e --exe=<executable>  Set the input file name (default is a.out)
  -i --inlines           Unwind inlined functions
  -j --section=<name>    Read section-relative offsets instead of addresses
  -p --pretty-print      Make the output easier to read for humans
  -s --basenames         Strip directory names
  -f --functions         Show function names
  -C --demangle[=style]  Demangle function names
  -R --recurse-limit     Enable a limit on recursion whilst demangling.  [Default]
  -r --no-recurse-limit  Disable a limit on recursion whilst demangling
  -h --help              Display this information
  -v --version           Display the program's version

arm-none-eabi-addr2line.exe: supported targets: elf32-littlearm elf32-littlearm-fdpic elf32-bigarm elf32-bigarm-fdpic elf32-little elf32-big srec symbolsrec verilog tekhex binary ihex plugin
Report bugs to <http://www.sourceware.org/bugzilla/>

翻译为中文：
用法: arm-none-eabi-addr2line.exe [选项] [地址]
 将地址转换为行号/文件名对。
 如果命令行中未指定地址，将从标准输入中读取地址。
 可用选项如下：
  @<文件>                从<文件>中读取选项
  -a --addresses         显示地址
  -b --target=<bfdname>  设置二进制文件格式
  -e --exe=<可执行文件>  设置输入文件名（默认为 a.out）
  -i --inlines           展开内联函数
  -j --section=<名称>    读取相对于段的偏移量而不是地址
  -p --pretty-print      使输出更易于人类阅读
  -s --basenames         去掉目录名
  -f --functions         显示函数名称
  -C --demangle[=风格]   解码函数名称
  -R --recurse-limit     启用解码时递归限制（默认）
  -r --no-recurse-limit  禁用解码时的递归限制
  -h --help              显示此信息
  -v --version           显示程序版本

arm-none-eabi-addr2line.exe: 支持的目标格式：elf32-littlearm elf32-littlearm-fdpic elf32-bigarm elf32-bigarm-fdpic elf32-little elf32-big srec symbolsrec verilog tekhex binary ihex plugin
报告错误到 <http://www.sourceware.org/bugzilla/>

应用场景：

嵌入式系统调试：当嵌入式系统崩溃时，开发者可以从错误日志中获取崩溃时的内存地址（例如硬件异常或断言失败时）。通过 arm-none-eabi-addr2line 工具，可以轻松定位问题出现在源代码的具体位置。
堆栈回溯分析：在执行堆栈回溯时，可以将所有函数调用的地址转换成相应的代码行，帮助开发者快速找到潜在的问题。

使用技巧：

带符号表的编译：要使用 arm-none-eabi-addr2line 工具，程序需要在编译时保留调试符号（通过编译选项 -g）。
无符号表的处理：如果 ELF 文件没有调试符号，arm-none-eabi-addr2line 将无法提供详细的源代码行号信息，而只能给出模块的偏移地址。
结合 GDB 使用：在调试会话中，arm-none-eabi-addr2line 通常和 GDB 一起使用，用于快速查找源代码中的错误。

分析死机或HardFault异常原因：

当程序死机时，可以通过 PC 和 LR 的结合，分析程序死机的原因。应该优先读取 PC（程序计数器） 指针来排查错误，但 LR（链接寄存器） 指针同样有重要参考价值。

PC（程序计数器）：指向当前正在执行的指令地址，是排查错误的主要线索。通过读取 PC，可以确定程序崩溃时正在执行的具体代码位置，有助于分析出问题所在（例如非法指令或访问非法地址）。
LR（链接寄存器）：通常保存调用函数的返回地址。如果程序因为函数调用错误导致崩溃，LR 可以帮助你确定导致问题的调用链。当程序执行 BL（Branch with Link）指令时，LR 会保存调用函数的返回地址。在某些情况下，LR 比 PC 更有助于追溯崩溃前的执行路径，尤其是当 PC 指向了异常处理程序时。

HardFault和死机等错误查找使用示例：

程序arm-none-eabi-addr2line.exe
编译后的文件:nrf52832_xxaa.axf
使用nrfjprog --readregs获取PC：0x0002C2E2 LR：0x00029147

执行指令:
arm-none-eabi-addr2line -e .\nrf52832_xxaa.axf -a -f 0x0002C2E2 0x00029147

得到结果 可能出现问题地方:
0x0002c2e2
wakeup_button_cfg
../clib/../cmprslib/zerorunl2.c:?

0x00029147
nrfx_coredep_delay_us
nRF5_SDK_17.1.0_ddde560\examples\ble_peripheral\ble_app_uart\pca10040\s132\arm5_no_packs/..\..\..\..\..\..\modules\nrfx\/soc/nrfx_coredep.h:173

使用nrfjprog –readregs获取到寄存器信息示例如下:

获取到的寄存器信息：

  R0: 0x0000C6BE
  R1: 0x0002C2E1
  R2: 0x00000000
  R3: 0x20002E00
  R4: 0x0002C2E0
  R5: 0x0000001A
  R6: 0x0000FA00
  R7: 0x00000000
  R8: 0x00000000
  R9: 0x00000000
  R10: 0x00000000
  R11: 0x00000000
  R12: 0x0000000C
  SP: 0x20005DD0
  LR: 0x00029147
  PC: 0x0002C2E2
  xPSR: 0x21000000
  MSP: 0x20005DD0
  PSP: 0x00000000
  RAZ: 0x00000000
  CFBP: 0x04000000
  APSR: 0x20000000
  EPSR: 0x01000000
  IPSR: 0x00000000

通用寄存器 (R0 - R12)

R0 - R12: 这是 ARM Cortex-M 处理器的12个通用寄存器。它们用于存储处理中的临时数据或函数参数。寄存器可以在函数调用中传递参数，也可以用于保存局部变量。
- R0: 0x0000C6BE：存储了一个中间结果或局部变量。
- R1: 0x0002C2E1：可能是另一个函数参数或计算结果。
- R2 - R12: 这些寄存器可能在不同的时刻存储不同的数据，具体内容和意义依赖于当前正在执行的程序。

堆栈指针 (SP) 和链接寄存器 (LR)

SP (Stack Pointer, 堆栈指针): SP 指向当前堆栈顶的位置，用于保存局部变量、返回地址等。
- SP: 0x20005DD0: 当前堆栈指针指向内存地址 0x20005DD0。
LR (Link Register, 链接寄存器): LR 保存函数调用返回地址。执行完函数时，处理器会跳回到这个地址。
- LR: 0x00029147: 当前的函数返回地址为 0x00029147，指向下一个指令。

程序计数器 (PC)

PC (Program Counter, 程序计数器): PC 保存了当前执行指令的地址。
- PC: 0x0002C2E2: 当前正在执行的指令位于地址 0x0002C2E2。

程序状态寄存器 (xPSR)

xPSR 是 Cortex-M 处理器中的一个综合状态寄存器，它由以下三个部分组成：

APSR (Application Program Status Register): 保存程序的状态信息，如条件码。
- APSR: 0x20000000: N 位设置，表示上一次运算的结果为负值。
EPSR (Execution Program Status Register): 保存指令执行状态。
- EPSR: 0x01000000: Thumb状态位 T 为1，说明处理器正以Thumb指令集执行程序。
IPSR (Interrupt Program Status Register): 保存中断号信息。
- IPSR: 0x00000000: 当前没有中断正在执行。

其他状态寄存器

MSP (Main Stack Pointer): 这是主堆栈指针，用于系统和异常处理模式。
- MSP: 0x20005DD0: 主堆栈指针和堆栈指针 SP 指向同一个地址，表示当前正处于主模式。
PSP (Process Stack Pointer): 这是进程堆栈指针，用于用户模式下的进程。
- PSP: 0x00000000: 当前未使用进程堆栈指针，可能是在系统模式下执行。
CFBP (Control, Faultmask, Basepri, and Primask): 控制寄存器，用于管理异常优先级和屏蔽。
- CFBP: 0x04000000: 表示 Basepri 设置为 0x04，用于异常优先级控制。

其他值

RAZ: 保留值，通常为0。
- RAZ: 0x00000000: 保持为 0。

重点介绍:

1. 堆栈指针 (SP)

SP (Stack Pointer) 是一个指向当前堆栈顶部的寄存器。它在函数调用和返回过程中更新，以便跟踪局部变量和函数参数的存储。
在 Cortex-M 处理器中，SP 的具体值会根据当前执行的上下文变化。通常，SP 会在进入一个函数时向下移动（降低），在退出函数时向上移动（增加）。

2. 主堆栈指针 (MSP)

MSP (Main Stack Pointer) 是用于主堆栈的指针，通常在处理器复位后初始化并用于所有的特权级（如处理器进入异常模式时）。
MSP 用于系统的默认堆栈，通常由系统调用、ISR（中断服务例程）和上下文切换等情况使用。
当处理器处于 异常模式（如中断、故障等）时，MSP 是默认使用的堆栈指针。

3. 进程堆栈指针 (PSP)

PSP (Process Stack Pointer) 是用于用户进程堆栈的指针，通常用于在操作系统环境下的用户任务。
当处理器切换到用户模式（例如，执行用户任务）时，PSP 是被使用的堆栈指针。
这使得用户程序的执行可以与系统级别的处理分开，增强了安全性和稳定性。

4. SP、MSP 和 PSP 的使用场景

系统启动：当 Cortex-M 处理器启动时，MSP 通常被初始化为堆栈的顶部，并且在启动时由系统使用。
异常处理：在处理中断或异常时，系统会使用 MSP。异常处理程序可以直接使用 MSP 堆栈进行局部变量和参数的管理。
任务切换：如果使用实时操作系统（RTOS），在进行任务切换时，系统会保存当前任务的 PSP，并恢复下一个任务的 PSP，从而使每个任务有独立的堆栈空间。
堆栈溢出：当应用程序超出分配给堆栈的内存时，可能导致堆栈溢出，从而影响当前函数或调用链，甚至导致 HardFault。通过检查 SP 的位置（如接近预定义的堆栈边界），可以检测堆栈溢出问题。

5. SP、MSP 和 PSP 寄存器的状态

在你提供的寄存器信息中：

SP 为 0x20005DD0，表示当前堆栈指针的位置，可能表示当前正在使用的堆栈。
MSP 也为 0x20005DD0，表明在崩溃发生时，MSP 和 SP 可能指向相同的内存地址，这意味着可能使用了主堆栈进行操作。
PSP 为 0x00000000，表示当前未在使用进程堆栈。

hardfault_handler_keil.c 函数解释

需要打开宏
#ifndef HARDFAULT_HANDLER_ENABLED
    #define HARDFAULT_HANDLER_ENABLED 1
#endif

需要在keil中此处(Preprocessor Symbols)加入宏
DEBUG 
DEBUG_NRF NRF

需要加入文件：nRF5_SDK_17.1.0_ddde560\components\libraries\hardfault\hardfault_implementation.c
需要加入文件：nRF5_SDK_17.1.0_ddde560\components\libraries\hardfault\nrf52\handler\hardfault_handler_keil.c

主处理逻辑：
   - 使用 `ldr` 指令加载 `HardFault_c_handler` 地址，并根据链接寄存器（LR）的状态判断使用的堆栈（PSP 或 MSP）。
   - 如果使用 PSP，直接调用 C 语言的处理函数。
   - 如果使用 MSP，检查栈指针是否在有效范围内；如果不在有效范围内，移动栈指针到合适的位置。
   - 最后跳转到处理函数继续执行。

这段代码的核心目的是在发生硬Fault时，通过汇编级别的处理程序将控制权转移到 C 语言的处理函数，确保系统能够正确处理错误。

__ASM void HardFault_Handler(void)  // 定义一个汇编函数，用于处理硬Fault异常
{
    PRESERVE8  // 指示编译器保持 8 字节对齐，确保堆栈的正确性
    EXTERN HardFault_c_handler  // 声明外部的 C 函数，用于处理硬Fault
    EXTERN |STACK$$Base|  // 声明栈的基地址
    EXTERN |STACK$$Limit|  // 声明栈的限制地址

    ldr r3, =HardFault_c_handler  // 将处理函数的地址加载到寄存器 r3 中
    tst lr, #4  // 测试链接寄存器（LR）第 2 位，判断使用的堆栈类型

    /* PSP is quite simple and does not require additional handler */
    itt ne  // 条件执行指令，如果测试结果为不等，则执行后面的指令
    mrsne r0, psp  // 如果使用 PSP，将其值读取到寄存器 r0 中

    /* Jump to the handler, do not store LR - returning from handler just exits exception */
    bxne  r3  // 跳转到 C 处理函数，不保存 LR

    /* Processing MSP requires stack checking */
    mrs r0, msp  // 读取当前的 MSP 值到寄存器 r0

    ldr   r1, =|STACK$$Limit|  // 将栈限制加载到寄存器 r1
    ldr   r2, =|STACK$$Base|  // 将栈基地址加载到寄存器 r2

    /* MSP is in the range of the stack area */
    cmp   r0, r1  // 比较当前 MSP 和栈限制
    bhi   HardFault_MoveSP  // 如果 MSP 大于栈限制，跳转到移动栈指针处理

    cmp   r0, r2  // 比较当前 MSP 和栈基地址
    bhi   HardFault_Handler_Continue  // 如果 MSP 大于栈基地址，继续处理

HardFault_MoveSP  // 标签，表示进入栈指针移动处理
    mov   sp, r1  // 将栈指针（SP）移动到栈限制
    mov   r0, #0  // 将 r0 清零，为后续处理做准备

HardFault_Handler_Continue  // 标签，表示继续处理硬Fault
    bx r3  // 跳转到 C 处理函数

    ALIGN  // 对齐指令，确保后续代码的对齐
}  // 结束 HardFault_Handler 函数定义

HardFault 死机 PC LR arm-none-eabi-addr2line