ARMv7-A那些事-?；厮轀\析
在嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要對代碼進(jìn)行調試來(lái)解決各種各樣的問(wèn)題，常用的調試手段有：
(1)、開(kāi)發(fā)環(huán)境搭配硬件仿真器進(jìn)行在線(xiàn)調試。優(yōu)點(diǎn)：調試過(guò)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(mǎi)硬件仿真器。
(2)、通過(guò)調試串口打印信息梳理程序的執行流程，結合代碼分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因。優(yōu)點(diǎn)：足夠簡(jiǎn)單，通過(guò)增加較多的打印信息來(lái)分析問(wèn)題出現的位置，再結合代碼分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因。缺點(diǎn)：沒(méi)法準確的定位問(wèn)題產(chǎn)生的位置和原因。
(3)、在應用或者操作系統死機的時(shí)候，根據操作系統輸出的異常棧信息進(jìn)行分析，再結合鏡像或者應用的反匯編代碼進(jìn)行定位。通常這種方法和方法(2)結合使用。
本文主要簡(jiǎn)單的講講?；厮?，對于以后去理解操作系統的異常棧處理打個(gè)基礎吧。
ARM處理器的?；厮葜饕袃煞N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?。
?；厮菹嚓P(guān)寄存器
在?；厮葸^(guò)程中，主要涉及如下寄存器：
R15：又叫程序計數器（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主要用于存放函數的返回地址，即當函數返回時(shí)，知道自己該回到哪兒去繼續運行。
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：又叫內部過(guò)程調用暫存寄存器（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)函數的棧幀底部，表示一個(gè)函數棧的開(kāi)始位置。
ARM棧幀結構
依據AAPCS (ARM Archtecture Procedure Call Standard)規范，當調用子函數時(shí)，子函數一開(kāi)始的代碼總是會(huì )執行壓棧操作來(lái)保留父函數的相關(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)函數都有自己的?？臻g，這一部分稱(chēng)為棧幀。棧幀在函數被調用的時(shí)候創(chuàng )建，在函數返回后銷(xiāo)毀。每個(gè)函數的棧幀是由SP寄存器和FP寄存器來(lái)界定的，ARM棧幀結構典型示意圖如下所示：
ARMv7-A架構-ARM棧幀結構
上圖描述的棧幀，main函數和func1函數的示意代碼如下：
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)函數的棧幀中都會(huì )保存調用該函數之前的PC、LR、SP、FP寄存器的值；如果函數具有參數并且函數內部使用了局部變量，那么函數棧幀中也會(huì )保存函數的參數和局部變量；如果被調用的子函數參數過(guò)多，那么多余的參數會(huì )通過(guò)父函數的棧進(jìn)行傳遞。比如func1函數的參數p5通過(guò)main函數的棧幀進(jìn)行傳遞的。（注：編譯器的版本不同，函數棧幀中參數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）
函數棧幀中的PC和LR均指向代碼段，PC表示執行入棧指令時(shí)CPU正在取指的地址，LR表示當前函數返回后繼續執行的地址。
?；厮菰?/p>
在?；厮莸倪^(guò)程中，我們主要利用FP寄存器進(jìn)行?；厮?。通過(guò)FP就可以知道當前函數的棧底，從而可以找到存儲在棧幀中的LR寄存器的數據，這個(gè)數據就是函數的返回地址。同時(shí)也可以找到保存在函數棧幀中的上一級函數FP的數據，這個(gè)數據指向了上一級函數的棧底，按照同樣的方法可以找出上一級函數棧幀中存儲的LR和FP數據，就知道哪個(gè)函數調用了上一級函數以及這個(gè)函數的棧底地址。這就是?；厮莸牧鞒?，整個(gè)流程以FP為核心，依次找出每個(gè)函數棧幀中存儲的LR和FP數據，計算出函數返回地址和上一級函數棧底地址，從而找出每一級函數調用關(guān)系。
?；厮菥幾g選項
當gcc的編譯選項帶有-mapcs-frame時(shí)，編譯出來(lái)的代碼能夠將PC，LR，SP和FP寄存器的值壓入函數的棧幀中。默認情況下gcc的編譯選項為-mno-apcs-frame ，此時(shí)編譯出來(lái)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的棧幀中，可能只會(huì )將LR和FP寄存器的值壓入函數的棧幀中。關(guān)于-mapcs-frame選項，gcc的手冊描述如下：
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手冊上說(shuō)-mapcs-frame選項被廢棄了，但是只有添加了該選項，編譯出來(lái)的代碼才會(huì )將PC，LR，SP和FP寄存器的值壓入函數的棧幀中。
我這里編譯代碼仍然使用-mapcs-frame選項，有知道該選項對應的新的棧幀配置選項的兄弟可以告知我一下。
?；厮菔纠?/p>
根據前面的內容，這里簡(jiǎn)單的寫(xiě)了一個(gè)?；厮莸氖纠?，函數調用流程為：main -> test_a -> test_b -> test_c。
函數的源代碼如下：
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;
}
上述函數的反匯編內容如下：
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}
當程序運行到test_c()函數的return c;代碼處時(shí)，FP的值為0x9FDFFF94，此時(shí)內存數據如下：
Snipaste_2023-08-30_15-56-26
test_c()函數的棧底為0x9FDFFF94，可以得到test_c()函數棧幀中LR為0x800021C8、FP為0x9FDFFFB4，LR是test_c()函數執行完成后的返回地址，與反匯編代碼中test_b()函數調用完test_c()之后的下一個(gè)執行地址一致：
800021c0:e3a00b33movr0,#52224;0xcc00 800021c4:eb000003bl800021d8returnb; 800021c8:e51b3010ldrr3,[fp,#-16]//test_c()函數返回后繼續執行的地址
FP為0x9FDFFFB4表示test_b()函數的棧底為0x9FDFFFB4，有了test_b()函數的棧底就可以得到test_b()函數棧幀中LR為0x80002194、FP為0x9FDFFFDC，從而知道test_b()函數執行完成后的返回地址以及test_a()函數的棧底，依次逐級回溯，就可以知道程序的整個(gè)運行流程了。
在?；厮莸倪^(guò)程中我們可以利用addr2line工具輔助我們對程序執行流程的分析。
審核編輯：劉清
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原文標題：ARMv7-A 那些事 - 7.?；厮轀\析
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