嵌入式Linux Kernel錯(cuò)誤跟蹤技術(shù)

隨著嵌入式Linux系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，尤其是涉及到生命財(cái)產(chǎn)等重要領(lǐng)域，要求系統(tǒng)達(dá)到安全完整性等級(jí)3級(jí)以上[1]，故障率（每小時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)故障的可能性）為10-7以下，相當(dāng)于系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）至少要達(dá)到1141年以上，因此提高系統(tǒng)可靠性已成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。對(duì)某公司在工業(yè)領(lǐng)域14 878個(gè)控制器系統(tǒng)的應(yīng)用調(diào)查表明，從2004年初到2007年9月底，隨著硬軟件的不斷改進(jìn)，根據(jù)錯(cuò)誤報(bào)告統(tǒng)計(jì)的故障率已降低到2004年的五分之一以下，但查找錯(cuò)誤的時(shí)間卻增加到原來(lái)的3倍以上。

這種解決問(wèn)題所需時(shí)間呈上升的趨勢(shì)固然有軟件問(wèn)題，但缺乏必要的手段以輔助解決問(wèn)題才是主要的原因。通過(guò)對(duì)故障的統(tǒng)計(jì)跟蹤發(fā)現(xiàn)，難以解決的軟件錯(cuò)誤和從發(fā)現(xiàn)到解決耗時(shí)較長(zhǎng)的軟件錯(cuò)誤都集中在操作系統(tǒng)的核心部分，這其中又有很大比例集中在驅(qū)動(dòng)程序部分[2]。因此，錯(cuò)誤跟蹤技術(shù)被看成是提高系統(tǒng)安全完整性等級(jí)的一個(gè)重要措施[1]，大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)均為發(fā)展提供了操作系統(tǒng)內(nèi)核“崩潰轉(zhuǎn)儲(chǔ)”機(jī)制，即在軟件系統(tǒng)宕機(jī)時(shí)，將內(nèi)存內(nèi)容保存到磁盤(pán)[3]，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到故障服務(wù)器[3]，或者直接啟動(dòng)內(nèi)核調(diào)試器[4]等，以供事后分析改進(jìn)。

基于Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的崩潰轉(zhuǎn)儲(chǔ)機(jī)制近年來(lái)有以下幾種：

(1) LKCD（Linux Kernel Crash Dump）機(jī)制[3];

(2) KDUMP（Linux Kernel Dump）機(jī)制[4]；

(3) KDB機(jī)制[5]；

(4) KGDB機(jī)制[6]。

綜合上述幾種機(jī)制可以發(fā)現(xiàn),這四種機(jī)制之間有以下三個(gè)共同點(diǎn)：

(1) 適用于為運(yùn)算資源豐富、存儲(chǔ)空間充足的應(yīng)用場(chǎng)合；

(2) 發(fā)生系統(tǒng)崩潰后恢復(fù)時(shí)間無(wú)嚴(yán)格要求；

(3) 主要針對(duì)較通用的硬件平臺(tái)，如X86平臺(tái)。

在嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合想要直接使用上列機(jī)制中的某一種，卻遇到以下三個(gè)難點(diǎn)無(wú)法解決：

(1) 存儲(chǔ)空間不足

嵌入式系統(tǒng)一般采用Flash作為存儲(chǔ)器，而Flash容量有限，且可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于嵌入式系統(tǒng)中的內(nèi)存容量。因此將全部?jī)?nèi)存內(nèi)容保存到Flash不可行。

(2) 記錄時(shí)間要求盡量短

嵌入式系統(tǒng)一般有復(fù)位響應(yīng)時(shí)間盡量短的要求，有的嵌入式操作系統(tǒng)復(fù)位重啟時(shí)間不超過(guò)2s，而上述幾種可用于Linux系統(tǒng)的內(nèi)核崩潰轉(zhuǎn)儲(chǔ)機(jī)制耗時(shí)均不可能在30s內(nèi)。寫(xiě)Flash的操作也很耗時(shí)間，實(shí)驗(yàn)顯示，寫(xiě)2MB數(shù)據(jù)到Flash耗時(shí)達(dá)到400ms之多。

(3) 要求能夠支持特定的硬件平臺(tái)

嵌入式系統(tǒng)的硬件多種多樣，上面提到的四種機(jī)制均是針對(duì)X86平臺(tái)提供了較好的支持，而對(duì)于其他體系的硬件支持均不成熟。

由于這些難點(diǎn)的存在，要將上述四種內(nèi)核崩潰轉(zhuǎn)儲(chǔ)機(jī)制中的一種移植到特定的嵌入式應(yīng)用平臺(tái)是十分困難的。因此，針對(duì)上述嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)特點(diǎn)，本文介紹一種基于特定平臺(tái)的嵌入式Linux內(nèi)核崩潰信息記錄機(jī)制LCRT(Linux Crash Record and Trace)，為定位嵌入式Linux系統(tǒng)中軟件故障和解決軟件故障提供輔助手段。

1 Linux內(nèi)核崩潰的分析

分析Linux內(nèi)核對(duì)于運(yùn)行期間各種“陷阱”的處理可以得知，Linux內(nèi)核對(duì)于應(yīng)用程序?qū)е碌腻e(cuò)誤可以予以監(jiān)控，在應(yīng)用程序發(fā)生除零、內(nèi)存訪問(wèn)越界、緩沖區(qū)溢出等錯(cuò)誤時(shí)，Linux內(nèi)核的異常處理例程可以對(duì)這些由應(yīng)用程序引起的異常情況予以處理。當(dāng)應(yīng)用程序產(chǎn)生不可恢復(fù)的錯(cuò)誤時(shí)，Linux內(nèi)核可以?xún)H僅終止產(chǎn)生錯(cuò)誤的應(yīng)用程序，其他應(yīng)用程序仍然可以正常運(yùn)行。

如果Linux內(nèi)核本身或者新開(kāi)發(fā)的Linux內(nèi)核模塊存在bug，產(chǎn)生了“除零”，“內(nèi)存訪問(wèn)越界”、“緩沖區(qū)溢出”等錯(cuò)誤，同樣會(huì)由Linux內(nèi)核的異常處理例程來(lái)處理。Linux內(nèi)核通過(guò)在異常處理程序中判斷，如果發(fā)現(xiàn)是“嚴(yán)重的不可恢復(fù)”的內(nèi)核異常，則會(huì)導(dǎo)致“內(nèi)核恐慌”（kernel panic），即Linux內(nèi)核崩潰。圖1所示為L(zhǎng)inux內(nèi)核對(duì)異常情況的處理流程。

2 LCRT機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)Linux內(nèi)核代碼的分析可知，Linux內(nèi)核本身提供了一種“內(nèi)核通知機(jī)制”[7-8]，并預(yù)定義了“內(nèi)核事件通知鏈”，使得Linux內(nèi)核擴(kuò)展開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)這些預(yù)定義的內(nèi)核事件通知鏈在特定的內(nèi)核事件發(fā)生時(shí)執(zhí)行附加的處理流程。通過(guò)對(duì)Linux內(nèi)核源代碼的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于上文中提到的“嚴(yán)重不可恢復(fù)的內(nèi)核異常”，預(yù)定義了一個(gè)通知鏈和通知點(diǎn)，使得在發(fā)生Linux內(nèi)核崩潰之后，可以在Linux內(nèi)核的panic函數(shù)中預(yù)定義的一個(gè)“內(nèi)核崩潰通知鏈”[7]上掛接LCRT機(jī)制來(lái)獲得Linux內(nèi)核崩潰現(xiàn)場(chǎng)的一些信息并記錄到非易失性存儲(chǔ)器中，以便分析引起Linux內(nèi)核崩潰的原因。

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

LCRT機(jī)制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于如下特定的機(jī)制：

(1) 編譯器選項(xiàng)與內(nèi)核依賴(lài)