Modern Embedded Recipes · 114/152

Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기

2026년 4월 19일 · Hawk · 4분 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.

1
SP →  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.

1
[31:16] UFSR — Usage Fault
2
  bit 16  UNDEFINSTR    정의되지 않은 명령
3
  bit 17  INVSTATE      Thumb 비트 0
4
  bit 18  INVPC         예외 return 시 잘못된 EXC_RETURN
5
  bit 19  NOCP          코프로세서 없음
6
  bit 24  UNALIGNED     unaligned access
7
  bit 25  DIVBYZERO     0으로 나눔
8

9
[15:8] BFSR — Bus Fault
10
  bit 8   IBUSERR       명령 fetch
11
  bit 9   PRECISERR     precise data bus error (BFAR 유효)
12
  bit 10  IMPRECISERR   imprecise (BFAR 무효, 위치 부정확)
13
  bit 11  UNSTKERR      exception entry stacking
14
  bit 12  STKERR        exception exit unstacking
15
  bit 15  BFARVALID     BFAR에 주소 적힘
16

17
[7:0]  MMFSR — MemManage Fault (MPU)
18
  bit 0   IACCVIOL      명령 fetch MPU violation
19
  bit 1   DACCVIOL      data access MPU violation
20
  bit 7   MMARVALID     MMAR에 주소 적힘

가장 흔한 두 패턴.

1
CFSR = 0x00008200
2
  → BFSR bit 9 (PRECISERR) + bit 15 (BFARVALID)
3
  → BFAR 주소에 *유효한 fault 위치* 있음
4
  → 보통: null pointer dereference, peripheral 미초기화
5

6
CFSR = 0x00020000
7
  → UFSR bit 17 (INVSTATE)
8
  → 함수 포인터 호출 시 LSB가 0 (Thumb 비트 누락)
9
  → 보통: 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.

Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기

#한 줄 요약

#사례 — “그냥 멈춰요”

#핵심 개념 — Stacked Frame

#Step 1 — Handler에서 SP 잡기

#Step 2 — CFSR 비트 해석

#Step 3 — PC를 source line으로

#사례 마무리

#Imprecise BFSR — 가장 까다로움

#사용 권장 패턴 — fault 정보 NVRAM 저장

#CFSR 비트별 흔한 원인

#자주 보는 함정

#정리

#관련 항목

Modern Embedded Recipes · 115 of 152

관련 글

TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M

임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash

임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred

이 글을 참조하는 글 (7)