1案例背景

最近有個(gè)客戶使用S32K146的產(chǎn)品在量產(chǎn)之后出現(xiàn)了三個(gè)售后件，ABBA測(cè)試之后的結(jié)果表明失效現(xiàn)象跟著S32K146走；同時(shí)客戶反饋說(shuō)試著將其中一個(gè)售后件重新燒錄程序，S32K146又正常工作了。結(jié)合這兩種情況，S32K146應(yīng)該是沒(méi)有損壞的，那就需要從軟件程序方面排查了。

然后和客戶的軟件工程師交流了一下，使用Attaching to Running Target的方式發(fā)現(xiàn)程序卡死在HardFault。因?yàn)槭橇慨a(chǎn)產(chǎn)品出問(wèn)題，客戶強(qiáng)烈要求去現(xiàn)場(chǎng)處理問(wèn)題，特地記錄下這次處理S32K146的hard fault問(wèn)題的過(guò)程，希望對(duì)讀者有幫助。

2方案準(zhǔn)備

在這之前，筆者還沒(méi)有處理過(guò)S32K1系列發(fā)生HardFault的問(wèn)題，所以需要先對(duì)S32K1系列發(fā)生HardFault的原因進(jìn)行了解。推薦如下這篇文章，講得非常細(xì)致。

結(jié)合上面這篇文章以及ARM官方的M4內(nèi)核文檔Cortex -M4 Devices Generic User Guide ^[1]^ ，筆者簡(jiǎn)要整理了下S32K1發(fā)生HardFault的可能原因以及排查方式，如下文所述。

2.1 HardFault（硬件錯(cuò)誤異常）

• HardFault的可能原因
  1. 停止調(diào)試關(guān)閉時(shí)發(fā)生了調(diào)試事件；
  2. UsageFault、BusFault、MemManage Fault未使能（Coretex-M4F內(nèi)核默認(rèn)狀態(tài)）時(shí)發(fā)生了相應(yīng)的錯(cuò)誤導(dǎo)致錯(cuò)誤升級(jí)到HardFault；
  3. 異常處理過(guò)程中取內(nèi)核中斷向量表讀操作錯(cuò)誤。
• HardFault的原因排查 造成HardFault的原因，可通過(guò)SCB模塊的硬件錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器（HFSR）進(jìn)行排查，如下所示：
  • 原因1引起的，DEBUGEVT bit置1；
  • 原因2引起的，F(xiàn)ORCED bit置1；
  • 原因3引起的，VECTTBL bit置1。

HFSR寄存器

2.2 UsageFault（用法錯(cuò)誤異常）

• UsageFault的可能原因
  1. 執(zhí)行未定義指令，即非法指令；
  2. 指令執(zhí)行狀態(tài)錯(cuò)誤；
  3. 異常返回錯(cuò)誤；
  4. 嘗試訪問(wèn)關(guān)閉或者不可用的協(xié)處理器；
  5. 非對(duì)齊地址訪問(wèn)（需要先通過(guò)SCB模塊的CCR寄存器進(jìn)行使能）；
  6. 除零操作（需要先通過(guò)SCB模塊的CCR寄存器進(jìn)行使能）。
• UsageFault的原因排查 造成UsageFault的原因，可通過(guò)SCB模塊的用法錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器（UFSR）進(jìn)行排查，如下所示：
  • 原因1引起的，UNDEFINSTR bit置1；
  • 原因2引起的，INVSTATE bit置1；
  • 原因3引起的，INVPC bit置1；
  • 原因4引起的，NOCP bit置1；
  • 原因5引起的，UNALIGNED bit置1；
  • 原因6引起的，DIVBYZERO bit置1。

UFSR寄存器

2.3 BusFault（總線錯(cuò)誤異常）

• BusFault的可能原因

  • a. 異常/中斷入口壓棧；
  • b. 異常/中斷返回出棧；
  • c. 預(yù)取指；
  • d. FPU lazy state現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)；
  1. Crossbar總線矩陣slave端口返回錯(cuò)誤響應(yīng)，當(dāng)：
  2. 精確總線錯(cuò)誤；
  3. 不精確總線錯(cuò)誤。

• BusFault的原因排查 造成BusFault的原因，可通過(guò)SCB模塊的總線錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器（BFSR）進(jìn)行排查，如下所示：

  • 原因1.a引起的，STKERR bit置1；
  • 原因1.b引起的，UNSTKERR bit置1；
  • 原因1.c引起的，IBUSERR bit置1；
  • 原因1.d引起的，LSPERR bit置1；
  • 原因2引起的，PRECISERR bit置1；
  • 原因3引起的，IMPRECISERR bit置1。

BFSR寄存器

2.4 MemManage Fault（存儲(chǔ)器管理錯(cuò)誤異常）

• MemManage Fault的可能原因
  1. 嘗試加載和儲(chǔ)存內(nèi)核MPU保護(hù)的地址；
  2. 從內(nèi)核MPU保護(hù)的地址取指；
  3. 由MPU違規(guī)引起的壓棧和出棧（函數(shù)調(diào)用或者中斷/異常處理）錯(cuò)誤；
  4. 硬件FPU lazy state保護(hù)觸發(fā)的MPU存儲(chǔ)器保護(hù)違規(guī)。
• MemManage Fault的原因排查 造成MemManage Fault的原因，可通過(guò)SCB模塊的存儲(chǔ)器管理錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器（MMFSR）進(jìn)行排查，如下所示：
  • 原因1引起的，DACCVIOL bit置1；
  • 原因2引起的，IACCVIOL bit置1；
  • 原因3引起的，MSTKERR或MUNSTKERR bit置1；
  • 原因4引起的，MLSPERR bit置1；

MMFSR寄存器

UFSR、BFSR、MMFSR寄存器都是SCB模塊中CFSR寄存器的子寄存器，包含關(guān)系如下，實(shí)際調(diào)試時(shí)查看CFSR寄存器即可。

CFSR寄存器

如果要訪問(wèn)UFSR、BFSR、MMFSR這些子寄存器，可以按照如下的地址進(jìn)行訪問(wèn)：

CFSR子寄存器地址

3現(xiàn)場(chǎng)支持

了解了引起HardFault的可能原因以及排查方式之后，就是按照該方法協(xié)助客戶進(jìn)行原因排查。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

客戶的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如下：

• 開發(fā)環(huán)境：IAR 8.30.1
• 調(diào)試器：Jlink V9
• MCU：S32K146
• SDK：EAR0.8.6

3.2 排查過(guò)程

1. 打開和異常件對(duì)應(yīng)的軟件工程，使用Attach方式連接上第一個(gè)異常件的主控S32K146，如下圖所示：
2. 進(jìn)入仿真界面后，暫停之后發(fā)現(xiàn)程序卡死在hard fault。
3. 查看S32的SCB模塊，HFSR寄存器的FORCED bit置1，說(shuō)明是其它錯(cuò)誤上升到hard fault，需要查看CFSR寄存器了解更多信息。
4. CFSR寄存器的BFARVALID bit 和PRECISERR bit都置1，說(shuō)明是精確總線錯(cuò)誤造成bus fault并且捕捉保存了精確總線錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)地址；再去查看BFAR寄存器，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的地址是0x100010E8。
5. 使用同樣的方法排查第二個(gè)異常件的主控MCU，也是精確總線錯(cuò)誤造成的bus fault，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的地址是0x10001128。
6. 接著通過(guò)IAR查看下S32K146的memory，從地址0x10001128起始的8個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的flash區(qū)域數(shù)據(jù)無(wú)法查看。
7. 翻閱S32K1的memory相關(guān)的應(yīng)用筆記AN11983: Using the S32K1xx EEPROM Functionality – Application Note ^[2]^ ，發(fā)生錯(cuò)誤的地址屬于D-Flash，如下圖所示：

S32K1xx Memory Map

8. 查閱軟件代碼中讀寫DFlash中這塊地址的函數(shù)，發(fā)現(xiàn)在寫DFLASH之前雖然進(jìn)行了擦寫操作，但是并沒(méi)有設(shè)置擦寫成功之后才能寫DFlash的條件，有概率出現(xiàn)擦寫不完全的情況下寫D-Flash。同時(shí)，客戶查看了其他組未出問(wèn)題的產(chǎn)品的軟件代碼，在寫D-Flash之前添加了比較多的條件判斷，包含對(duì)擦寫狀態(tài)的判斷。至此，該問(wèn)題初步得到解決，剩下的就是優(yōu)化代碼并跟進(jìn)后續(xù)產(chǎn)品的表現(xiàn)了。

4異常模擬

客戶的問(wèn)題雖然解決了，但是筆者還是不確定連續(xù)兩次對(duì)同一塊區(qū)域的Flash寫不同的值，中間沒(méi)有擦除動(dòng)作，是否會(huì)讓MCU卡在HardFault，所以使用手上的S32K144開發(fā)板進(jìn)行了該情況的模擬。

4.1 測(cè)試環(huán)境

• 開發(fā)環(huán)境：S32 Design Studio for ARM 2.2
• SDK：RTM 3.0.0
• 開發(fā)板：S32K144EVB-Q100

4.2 測(cè)試過(guò)程

1. 打開S32DS 2.2，選擇自帶的例程 flash_partitioning_s32k144 。
2. 將初始化模擬EEPROM的部分注釋掉，避免D-Flash被用作模擬EEPROM的備份區(qū)從而無(wú)法進(jìn)行讀寫測(cè)試。
3. 定義一套新數(shù)組并儲(chǔ)存新的數(shù)據(jù)用于測(cè)試。
4. 在正常的D-Flash寫之后增加寫入不同數(shù)據(jù)的操作。
5. 編譯之后進(jìn)行debug，單步調(diào)試發(fā)現(xiàn)如果只進(jìn)行寫不同數(shù)據(jù)進(jìn)入D-Flash，S32K144不會(huì)進(jìn)入HardFault，需要再執(zhí)行讀D-Flash的操作，才會(huì)進(jìn)入HardFault。

如果想要了解讀取Flash地址的數(shù)據(jù)才會(huì)發(fā)生HardFault的原因。

6. S32DS之所以能在控制臺(tái)顯示比較多的MCU異常信息，是因?yàn)樵谡{(diào)試器界面使能了異常捕捉功能，這部分功能依賴的是DEMCR寄存器，如下圖所示。

異常捕捉配置

DEMCR寄存器