ARMv7-A那些事-棧回溯淺析
在嵌入式開發(fā)過程中，經(jīng)常需要對(duì)代碼進(jìn)行調(diào)試來解決各種各樣的問題，常用的調(diào)試手段有：
(1)、開發(fā)環(huán)境搭配硬件仿真器進(jìn)行在線調(diào)試。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)試過程中能夠清楚的知道各個(gè)寄存器的值以及各個(gè)變量的值，程序的執(zhí)行流程也能夠一目了然。缺點(diǎn)：板卡需要引出硬件仿真器的連接口，并且需要購買硬件仿真器。
(2)、通過調(diào)試串口打印信息梳理程序的執(zhí)行流程，結(jié)合代碼分析問題產(chǎn)生的原因。優(yōu)點(diǎn)：足夠簡單，通過增加較多的打印信息來分析問題出現(xiàn)的位置，再結(jié)合代碼分析問題產(chǎn)生的原因。缺點(diǎn)：沒法準(zhǔn)確的定位問題產(chǎn)生的位置和原因。
(3)、在應(yīng)用或者操作系統(tǒng)死機(jī)的時(shí)候，根據(jù)操作系統(tǒng)輸出的異常棧信息進(jìn)行分析，再結(jié)合鏡像或者應(yīng)用的反匯編代碼進(jìn)行定位。通常這種方法和方法(2)結(jié)合使用。
本文主要簡單的講講?；厮荩瑢?duì)于以后去理解操作系統(tǒng)的異常棧處理打個(gè)基礎(chǔ)吧。
ARM處理器的棧回溯主要有兩種方式：一種是基于棧幀寄存器（FP）的?；厮?，另一種是unwind形式的?；厮?。本文主要講講基于棧幀寄存器（FP）的?；厮荨?/p>
?；厮菹嚓P(guān)寄存器
在棧回溯過程中，主要涉及如下寄存器：
R15：又叫程序計(jì)數(shù)器（Program Counter）PC，PC主要用于存放CPU取指的地址。
R14：又叫鏈接寄存器（Link register）LR，LR主要用于存放函數(shù)的返回地址，即當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，知道自己該回到哪兒去繼續(xù)運(yùn)行。
R13：又叫堆棧指針寄存器（Stack pointer）SP，SP通常用于保存堆棧地址，在使用入棧和出棧指令時(shí)，SP中的堆棧地址會(huì)自動(dòng)的更新。
R12：又叫內(nèi)部過程調(diào)用暫存寄存器（Intra-Procedure-call scratch register）IP，主要用于暫存SP。
R11：又叫幀指針寄存器（Frame pointer）FP，通常指向一個(gè)函數(shù)的棧幀底部，表示一個(gè)函數(shù)棧的開始位置。
ARM棧幀結(jié)構(gòu)
依據(jù)AAPCS (ARM Archtecture Procedure Call Standard)規(guī)范，當(dāng)調(diào)用子函數(shù)時(shí)，子函數(shù)一開始的代碼總是會(huì)執(zhí)行壓棧操作來保留父函數(shù)的相關(guān)信息，壓棧步驟示例如下所示：
movip,sp
push{fp,ip,lr,pc}
subfp,ip,#4
subsp,sp,#16
...
每個(gè)函數(shù)都有自己的棧空間，這一部分稱為棧幀。棧幀在函數(shù)被調(diào)用的時(shí)候創(chuàng)建，在函數(shù)返回后銷毀。每個(gè)函數(shù)的棧幀是由SP寄存器和FP寄存器來界定的，ARM棧幀結(jié)構(gòu)典型示意圖如下所示：
ARMv7-A架構(gòu)-ARM棧幀結(jié)構(gòu)
上圖描述的棧幀，main函數(shù)和func1函數(shù)的示意代碼如下：
intfunc1(intp1,intp2,intp3,intp4,intp5)
{
inti;
intj;
i=0xf3;
j=0xf6;
return0;
}
intmain(intargc,char*argv[])
{
inti;
intj;
i=0x33;
j=0x66;
func1(0xa1,0xa2,0xa3,0xa4,0xa5);
return0;
}
每個(gè)函數(shù)的棧幀中都會(huì)保存調(diào)用該函數(shù)之前的PC、LR、SP、FP寄存器的值；如果函數(shù)具有參數(shù)并且函數(shù)內(nèi)部使用了局部變量，那么函數(shù)棧幀中也會(huì)保存函數(shù)的參數(shù)和局部變量；如果被調(diào)用的子函數(shù)參數(shù)過多，那么多余的參數(shù)會(huì)通過父函數(shù)的棧進(jìn)行傳遞。比如func1函數(shù)的參數(shù)p5通過main函數(shù)的棧幀進(jìn)行傳遞的。（注：編譯器的版本不同，函數(shù)棧幀中參數(shù)和局部變量的壓棧順序可能不同，PC，LR，SP和FP這4個(gè)寄存器的壓棧順序一般是固定的）
函數(shù)棧幀中的PC和LR均指向代碼段，PC表示執(zhí)行入棧指令時(shí)CPU正在取指的地址，LR表示當(dāng)前函數(shù)返回后繼續(xù)執(zhí)行的地址。
?；厮菰?/p>
在?；厮莸倪^程中，我們主要利用FP寄存器進(jìn)行?；厮荨Ｍㄟ^FP就可以知道當(dāng)前函數(shù)的棧底，從而可以找到存儲(chǔ)在棧幀中的LR寄存器的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)就是函數(shù)的返回地址。同時(shí)也可以找到保存在函數(shù)棧幀中的上一級(jí)函數(shù)FP的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)指向了上一級(jí)函數(shù)的棧底，按照同樣的方法可以找出上一級(jí)函數(shù)棧幀中存儲(chǔ)的LR和FP數(shù)據(jù)，就知道哪個(gè)函數(shù)調(diào)用了上一級(jí)函數(shù)以及這個(gè)函數(shù)的棧底地址。這就是?；厮莸牧鞒蹋麄€(gè)流程以FP為核心，依次找出每個(gè)函數(shù)棧幀中存儲(chǔ)的LR和FP數(shù)據(jù)，計(jì)算出函數(shù)返回地址和上一級(jí)函數(shù)棧底地址，從而找出每一級(jí)函數(shù)調(diào)用關(guān)系。
?；厮菥幾g選項(xiàng)
當(dāng)gcc的編譯選項(xiàng)帶有-mapcs-frame時(shí)，編譯出來的代碼能夠?qū)C，LR，SP和FP寄存器的值壓入函數(shù)的棧幀中。默認(rèn)情況下gcc的編譯選項(xiàng)為-mno-apcs-frame ，此時(shí)編譯出來的代碼不一定會(huì)將PC，LR，SP和FP這四個(gè)寄存器的值壓入函數(shù)的棧幀中，可能只會(huì)將LR和FP寄存器的值壓入函數(shù)的棧幀中。關(guān)于-mapcs-frame選項(xiàng)，gcc的手冊(cè)描述如下：
Generateastackframethatiscompliant withtheARMProcedureCallStandardfor allfunctions,evenifthisisnotstrictly necessaryforcorrectexecutionofthecode. Specifying‘-fomit-frame-pointer’withthis optioncausesthestackframesnottobe generatedforleaffunctions.Thedefault is‘-mno-apcs-frame’. Thisoptionisdeprecated.
我這里使用的gcc信息如下：
$arm-none-eabi-gcc-v ... gccversion10.3.120210824(release)(GNUArmEmbeddedToolchain10.3-2021.10)
雖然gcc手冊(cè)上說-mapcs-frame選項(xiàng)被廢棄了，但是只有添加了該選項(xiàng)，編譯出來的代碼才會(huì)將PC，LR，SP和FP寄存器的值壓入函數(shù)的棧幀中。
我這里編譯代碼仍然使用-mapcs-frame選項(xiàng)，有知道該選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的新的棧幀配置選項(xiàng)的兄弟可以告知我一下。
棧回溯示例
根據(jù)前面的內(nèi)容，這里簡單的寫了一個(gè)?；厮莸氖纠?，函數(shù)調(diào)用流程為：main -> test_a -> test_b -> test_c。
函數(shù)的源代碼如下：
inttest_a(intarg0,intarg1,intarg2,intarg3,intarg4)
{
inta;
a=0xff11;
test_b(0xbb00);
returna;
}
inttest_b(intarg0)
{
intb;
b=0xff22;
test_c(0xcc00);
returnb;
}
inttest_c(intarg0)
{
intc;
c=0xff33;
returnc;
}
intmain(void)
{
intval;
val=0xff00;
test_a(0xaa00,0xaa11,0xaa22,0xaa33,0xaa44);
return0;
}
上述函數(shù)的反匯編內(nèi)容如下：
80002164: inttest_a(intarg0,intarg1,intarg2,intarg3,intarg4) { 80002164:e1a0c00dmovip,sp 80002168:e92dd800push{fp,ip,lr,pc} 8000216c:e24cb004subfp,ip,#4 80002170:e24dd018subsp,sp,#24 80002174:e50b0018strr0,[fp,#-24];0xffffffe8 80002178:e50b101cstrr1,[fp,#-28];0xffffffe4 8000217c:e50b2020strr2,[fp,#-32];0xffffffe0 80002180:e50b3024strr3,[fp,#-36];0xffffffdc inta; a=0xff11; 80002184:e30f3f11movwr3,#65297;0xff11 80002188:e50b3010strr3,[fp,#-16] test_b(0xbb00); 8000218c:e3a00cbbmovr0,#47872;0xbb00 80002190:eb000003bl800021a4 returna; 80002194:e51b3010ldrr3,[fp,#-16] } 80002198:e1a00003movr0,r3 8000219c:e24bd00csubsp,fp,#12 800021a0:e89da800ldmsp,{fp,sp,pc} 800021a4 : inttest_b(intarg0) { 800021a4:e1a0c00dmovip,sp 800021a8:e92dd800push{fp,ip,lr,pc} 800021ac:e24cb004subfp,ip,#4 800021b0:e24dd010subsp,sp,#16 800021b4:e50b0018strr0,[fp,#-24];0xffffffe8 intb; b=0xff22; 800021b8:e30f3f22movwr3,#65314;0xff22 800021bc:e50b3010strr3,[fp,#-16] test_c(0xcc00); 800021c0:e3a00b33movr0,#52224;0xcc00 800021c4:eb000003bl800021d8 returnb; 800021c8:e51b3010ldrr3,[fp,#-16] } 800021cc:e1a00003movr0,r3 800021d0:e24bd00csubsp,fp,#12 800021d4:e89da800ldmsp,{fp,sp,pc} 800021d8 : inttest_c(intarg0) { 800021d8:e1a0c00dmovip,sp 800021dc:e92dd800push{fp,ip,lr,pc} 800021e0:e24cb004subfp,ip,#4 800021e4:e24dd010subsp,sp,#16 800021e8:e50b0018strr0,[fp,#-24];0xffffffe8 intc; c=0xff33; 800021ec:e30f3f33movwr3,#65331;0xff33 800021f0:e50b3010strr3,[fp,#-16] returnc; 800021f4:e51b3010ldrr3,[fp,#-16] } 800021f8:e1a00003movr0,r3 800021fc:e24bd00csubsp,fp,#12 80002200:e89da800ldmsp,{fp,sp,pc} 80002204 : intmain(void) { 80002204:e1a0c00dmovip,sp 80002208:e92dd800push{fp,ip,lr,pc} 8000220c:e24cb004subfp,ip,#4 80002210:e24dd010subsp,sp,#16 intval; val=0xff00; 80002214:e3a03cffmovr3,#65280;0xff00 80002218:e50b3010strr3,[fp,#-16] test_a(0xaa00,0xaa11,0xaa22,0xaa33,0xaa44); 8000221c:e30a3a44movwr3,#43588;0xaa44 80002220:e58d3000strr3,[sp] 80002224:e30a3a33movwr3,#43571;0xaa33 80002228:e30a2a22movwr2,#43554;0xaa22 8000222c:e30a1a11movwr1,#43537;0xaa11 80002230:e3a00caamovr0,#43520;0xaa00 80002234:ebffffcabl80002164 return0; 80002238:e3a03000movr3,#0 } 8000223c:e1a00003movr0,r3 80002240:e24bd00csubsp,fp,#12 80002244:e89da800ldmsp,{fp,sp,pc}
當(dāng)程序運(yùn)行到test_c()函數(shù)的return c;代碼處時(shí)，F(xiàn)P的值為0x9FDFFF94，此時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)如下：
Snipaste_2023-08-30_15-56-26
test_c()函數(shù)的棧底為0x9FDFFF94，可以得到test_c()函數(shù)棧幀中LR為0x800021C8、FP為0x9FDFFFB4，LR是test_c()函數(shù)執(zhí)行完成后的返回地址，與反匯編代碼中test_b()函數(shù)調(diào)用完test_c()之后的下一個(gè)執(zhí)行地址一致：
800021c0:e3a00b33movr0,#52224;0xcc00 800021c4:eb000003bl800021d8returnb; 800021c8:e51b3010ldrr3,[fp,#-16]//test_c()函數(shù)返回后繼續(xù)執(zhí)行的地址
FP為0x9FDFFFB4表示test_b()函數(shù)的棧底為0x9FDFFFB4，有了test_b()函數(shù)的棧底就可以得到test_b()函數(shù)棧幀中LR為0x80002194、FP為0x9FDFFFDC，從而知道test_b()函數(shù)執(zhí)行完成后的返回地址以及test_a()函數(shù)的棧底，依次逐級(jí)回溯，就可以知道程序的整個(gè)運(yùn)行流程了。
在?；厮莸倪^程中我們可以利用addr2line工具輔助我們對(duì)程序執(zhí)行流程的分析。
審核編輯：劉清
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原文標(biāo)題：ARMv7-A 那些事 - 7.棧回溯淺析
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