Modern Embedded Recipes · 114/152

Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기

2026년 4월 19일 · Hawk · 6분 읽기

#한 줄 요약

“HardFault는 우연이 아니라 기록을 남기고 떨어집니다.” Stacked PC와 CFSR 두 값만 정확히 읽어내면 90%의 hardfault는 5분 안에 원인이 잡힙니다.

#사례 — “그냥 멈춰요”

QA에서 “보드가 5초쯤 동작하다 멈춥니다”라는 보고가 옵니다. UART 출력도 없고 LED 토글도 멈춥니다. JTAG로 halt해 보면 PC가 HardFault_Handler 안입니다. 여기서부터 시작입니다.

1
(gdb) backtrace
2
#0  HardFault_Handler () at startup.s:142
3
#1  <signal handler called>
4
#2  0x????????
5

6
(gdb) info registers
7
r0  0x12345678
8
...
9
PC  0x08000142  ← HardFault_Handler
10
LR  0xfffffff9  ← EXC_RETURN — main stack 리턴
11
PSR 0x01000003

backtrace는 도움이 안 됩니다. 진짜 fault가 난 PC는 stack frame 안에 있습니다.

#핵심 개념 — Stacked Frame

Cortex-M은 예외 진입 시 다음 8 word를 자동으로 stack에 push합니다.

SP가 가리키는 낮은 주소부터 차례로 다음과 같이 쌓입니다.

순서	레지스터	의미
1	R0
2	R1
3	R2
4	R3
5	R12
6	LR	fault 직전 함수의 return address
7	PC	fault 발생 명령 주소
8	xPSR

EXC_RETURN의 LR (0xFFFFFFF9, 0xFFFFFFFD 등)으로 어느 stack에 push되었는지를 알 수 있습니다.

1
LR 값          Mode              Stack
2
0xFFFFFFF1     Handler           MSP
3
0xFFFFFFF9     Thread, no FP     MSP
4
0xFFFFFFFD     Thread, no FP     PSP
5
0xFFFFFFE1/E9  Thread, FP        + FP regs

#Step 1 — Handler에서 SP 잡기

1
__attribute__((naked))
2
void HardFault_Handler(void) {
3
    __asm volatile (
4
        "tst   lr, #4           \n"   // bit 2: 0=MSP, 1=PSP
5
        "ite   eq               \n"
6
        "mrseq r0, msp          \n"
7
        "mrsne r0, psp          \n"
8
        "b     hardfault_report \n"
9
    );
10
}
11

12
void hardfault_report(uint32_t *sp) {
13
    uint32_t r0   = sp[0];
14
    uint32_t r1   = sp[1];
15
    uint32_t r2   = sp[2];
16
    uint32_t r3   = sp[3];
17
    uint32_t r12  = sp[4];
18
    uint32_t lr   = sp[5];
19
    uint32_t pc   = sp[6];   // ← fault 명령 주소
20
    uint32_t psr  = sp[7];
21

22
    uint32_t cfsr = *(volatile uint32_t*)0xE000ED28;
23
    uint32_t hfsr = *(volatile uint32_t*)0xE000ED2C;
24
    uint32_t mmar = *(volatile uint32_t*)0xE000ED34;
25
    uint32_t bfar = *(volatile uint32_t*)0xE000ED38;
26

27
    printf("HARDFAULT\n");
28
    printf("PC   = 0x%08lx\n", pc);
29
    printf("LR   = 0x%08lx\n", lr);
30
    printf("CFSR = 0x%08lx\n", cfsr);
31
    printf("HFSR = 0x%08lx\n", hfsr);
32
    printf("MMAR = 0x%08lx\n", mmar);
33
    printf("BFAR = 0x%08lx\n", bfar);
34

35
    while (1);
36
}

이 핸들러를 startup 코드의 weak HardFault_Handler를 override해서 넣어 둡니다.

#Step 2 — CFSR 비트 해석

CFSR(Configurable Fault Status Register, 0xE000ED28) 32비트는 세 sub-register로 나뉩니다.

[31:16]은 UFSR(Usage Fault), [15:8]은 BFSR(Bus Fault), [7:0]은 MMFSR(MemManage Fault, MPU)입니다.

Sub-register	비트	이름	의미
UFSR `[31:16]`	bit 16	`UNDEFINSTR`	정의되지 않은 명령
UFSR `[31:16]`	bit 17	`INVSTATE`	Thumb 비트 0
UFSR `[31:16]`	bit 18	`INVPC`	예외 return 시 잘못된 EXC_RETURN
UFSR `[31:16]`	bit 19	`NOCP`	코프로세서 없음
UFSR `[31:16]`	bit 24	`UNALIGNED`	unaligned access
UFSR `[31:16]`	bit 25	`DIVBYZERO`	0으로 나눔
BFSR `[15:8]`	bit 8	`IBUSERR`	명령 fetch
BFSR `[15:8]`	bit 9	`PRECISERR`	precise data bus error (BFAR 유효)
BFSR `[15:8]`	bit 10	`IMPRECISERR`	imprecise (BFAR 무효, 위치 부정확)
BFSR `[15:8]`	bit 11	`UNSTKERR`	exception entry stacking
BFSR `[15:8]`	bit 12	`STKERR`	exception exit unstacking
BFSR `[15:8]`	bit 15	`BFARVALID`	BFAR에 주소 적힘
MMFSR `[7:0]`	bit 0	`IACCVIOL`	명령 fetch MPU violation
MMFSR `[7:0]`	bit 1	`DACCVIOL`	data access MPU violation
MMFSR `[7:0]`	bit 7	`MMARVALID`	MMAR에 주소 적힘

현장에서 가장 자주 마주치는 값은 두 개입니다.

CFSR 값	세워진 비트	해석	흔한 원인
`0x00008200`	BFSR bit 9 (`PRECISERR`) + bit 15 (`BFARVALID`)	BFAR 주소에 유효한 fault 위치가 있습니다	null pointer dereference, peripheral 미초기화
`0x00020000`	UFSR bit 17 (`INVSTATE`)	함수 포인터 호출 시 LSB가 0입니다 (Thumb 비트 누락)	function pointer 깨짐

#Step 3 — PC를 source line으로

1
arm-none-eabi-addr2line -e firmware.elf -f -C 0x08001234
2
process_packet
3
src/packet.c:87

또는 GDB에서 직접.

1
(gdb) list *0x08001234
2
0x8001234 is in process_packet (packet.c:87).
3
82  if (hdr->len > MAX_LEN) return -1;
4
83  uint8_t *dst = buffers[hdr->channel];
5
84
6
85  // hdr->channel이 음수 (channel = -1) → buffers[-1] dereference
7
86  // → BFAR = 0x20001ff8 (buffers 직전 주소)
8
87  memcpy(dst, payload, hdr->len);

이 한 줄에서 채널 음수가 들어온 path를 따라가면 원인이 잡힙니다.

#사례 마무리

처음 보드의 CFSR/BFAR이 다음이었습니다.

1
CFSR = 0x00008200    BFAR = 0x00000004
2
PC   = 0x08002A18    LR   = 0x0800291C

0x00000004는 null pointer + 4. 누군가 NULL->next 같은 dereference를 했다는 신호입니다.

1
addr2line -e firmware.elf 0x08002A18
2
queue_pop
3
src/queue.c:42

1
// queue.c:42
2
QueueItem *item = q->head;
3
q->head = item->next;   // ← item이 NULL일 때

q->head가 비어 있을 때 queue_pop을 호출한 caller가 범인이었습니다. ISR과 main이 같은 queue를 다루며 빈 큐 검사를 ISR이 빠뜨렸습니다. 5초 후 발생은 ISR이 처음 empty queue를 만났을 때였습니다.

#Imprecise BFSR — 가장 까다로움

1
CFSR = 0x00000400    BFSR bit 10 IMPRECISERR
2
BFAR 무효

Write buffer 때문에 fault PC가 실제 명령보다 몇 사이클 늦게 보고됩니다. 다음을 시도합니다.

1
// SCB->ACTLR에서 write buffer disable (디버깅 시에만)
2
*(volatile uint32_t*)0xE000E008 |= (1 << 1);  // DISDEFWBUF

이러면 fault가 정확한 PC에 떨어집니다. Production에서는 해제합니다.

#사용 권장 패턴 — fault 정보 NVRAM 저장

1
typedef struct {
2
    uint32_t magic;     // 0xFA17DEAD
3
    uint32_t pc, lr, psr;
4
    uint32_t cfsr, hfsr;
5
    uint32_t bfar, mmar;
6
    uint32_t reason;    // 자체 정의 code
7
} fault_record_t;
8

9
void hardfault_report(uint32_t *sp) {
10
    fault_record_t *fr = (void*)BACKUP_SRAM_BASE;
11
    fr->magic = 0xFA17DEAD;
12
    fr->pc    = sp[6];
13
    fr->lr    = sp[5];
14
    fr->cfsr  = *(volatile uint32_t*)0xE000ED28;
15
    /* ... */
16
    NVIC_SystemReset();
17
}
18

19
void boot_check_fault(void) {
20
    fault_record_t *fr = (void*)BACKUP_SRAM_BASE;
21
    if (fr->magic == 0xFA17DEAD) {
22
        printf("Last boot fault: PC=0x%08lx CFSR=0x%08lx\n",
23
               fr->pc, fr->cfsr);
24
        fr->magic = 0;
25
    }
26
}

Field 환경에서 boot 후 이전 reset 원인을 알 수 있습니다. STM32 RTC backup, RP2040 watchdog scratch, NRF52 GPREGRET 모두 reset에서 살아남는 영역을 제공합니다.

#CFSR 비트별 흔한 원인

CFSR	의미	흔한 원인
BFSR PRECISERR + BFAR	precise bus error	null pointer, 미초기화 peripheral, RCC clock off
BFSR IMPRECISERR	imprecise	write buffer로 인한 지연 — disable 후 재현
UFSR UNDEFINSTR	undefined inst	flash 깨짐, JTAG 잘못 flash
UFSR INVSTATE	thumb 비트 0	function pointer 깨짐, code memory 손상
UFSR UNALIGNED	unaligned access	`__packed` 구조체 → 정렬 안 된 word load/store
MMFSR DACCVIOL + MMAR	MPU violation	task stack overflow가 guard region 침범

#자주 보는 함정

Handler에서 printf 호출

UART buffer DMA가 fault로 멈춘 상태일 수 있습니다. HAL_UART_Transmit polling 모드로 하거나, ITM/SWO로 출력합니다.

Stack pointer가 깨진 채로 handler 진입

1
SP = 0xdeadbeef    ← stack 자체가 무효
2
sp[6] 읽기 → 또 fault → "lockup"

NVIC가 stacked frame을 못 push해서 무한 fault에 빠집니다. HFSR.FORCED가 떨어집니다. Stack overflow가 원인입니다. MPU stack guard로 먼저 잡아야 합니다.

잘못된 EXC_RETURN

1
__asm volatile ("bx %0" :: "r"(0xFFFFFFF8));   // ← reserved

EXC_RETURN을 인라인 어셈블리로 만들 때 reserved 값을 쓰면 UFSR INVPC가 떨어집니다.

-Os 빌드에서 PC와 source의 미스매치

addr2line이 함수 이름은 맞지만 줄이 어긋날 수 있습니다. -Og로 빌드하거나, objdump -dS firmware.elf | less로 어셈블리·source 인터리브를 봅니다.

CFSR을 읽고 안 clear

1
uint32_t cfsr = *(volatile uint32_t*)0xE000ED28;
2
// CFSR은 W1C — 다음 fault 추적을 위해 clear
3
*(volatile uint32_t*)0xE000ED28 = cfsr;

Reset 없이 fault 재현 디버깅을 할 때 누적된 bit 때문에 헷갈립니다.

#정리

HardFault는 stacked frame과 CFSR에 모든 단서를 남깁니다.
LR (EXC_RETURN) 비트 2로 MSP/PSP를 골라 stacked frame을 잡습니다.
Stacked PC가 fault 발생 명령. addr2line으로 source line.
CFSR을 BFSR/UFSR/MMFSR로 나눠 읽고 BFAR/MMAR을 함께 봅니다.
Imprecise BFSR은 write buffer disable로 precise하게 만듭니다.
Field에서는 fault record를 NVRAM에 남기고 reset합니다.
Stack overflow가 lockup의 가장 흔한 원인. MPU guard로 먼저 잡습니다.

다음 편은 UART 안 찍힐 때입니다.

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