更新时间:2021-07-08 GMT+08:00
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概述

基本概念

异常接管是操作系统对运行期间发生的异常情况(芯片硬件异常)进行处理的一系列动作,例如打印异常发生时当前函数的调用栈信息、CPU现场信息、任务的堆栈情况等。

异常接管作为一种调测手段,可以在系统发生异常时给用户提供有用的异常信息,譬如异常类型、发生异常时的系统状态等,方便用户定位分析问题。

Huawei LiteOS的异常接管,在系统发生异常时的处理动作为:显示异常发生时正在运行的任务信息(包括任务名、任务号、堆栈大小等),以及CPU现场等信息。针对某些RISC-V架构的芯片,对内存size要求较高的场景,Huawei LiteOS提供了极小特性宏LOSCFG_ARCH_EXC_SIMPLE_INFO(menuconfig菜单项为:Kernel --> Exception Management --> Enable Exception Simple Info),用于裁剪多余的异常提示字符串信息,但是仍然保留发生异常时的CPU执行环境的所有信息。

运作机制

每个函数都有自己的栈空间,称为栈帧。调用函数时,会创建子函数的栈帧,同时将函数入参、局部变量、寄存器入栈。栈帧从高地址向低地址生长

以ARM32 CPU架构为例,每个栈帧中都会保存PC、LR、SP和FP寄存器的历史值。

堆栈分析

  • LR寄存器(Link Register),链接寄存器,指向函数的返回地址。
  • R11:可以用作通用寄存器,在开启特定编译选项时可以用作帧指针寄存器FP,用来实现栈回溯功能。

    GNU编译器(gcc)默认将R11作为存储变量的通用寄存器,因而默认情况下无法使用FP的栈回溯功能。为支持调用栈解析功能,需要在编译参数中添加-fno-omit-frame-pointer选项,提示编译器将R11作为FP使用。

  • FP寄存器(Frame Point),帧指针寄存器,指向当前函数的父函数的栈帧起始地址。利用该寄存器可以得到父函数的栈帧,从栈帧中获取父函数的FP,就可以得到祖父函数的栈帧,以此类推,可以追溯程序调用栈,得到函数间的调用关系。

    当系统发生异常时,系统打印异常函数的栈帧中保存的寄存器内容,以及父函数、祖父函数的栈帧中的LR、FP寄存器内容,用户就可以据此追溯函数间的调用关系,定位异常原因。

堆栈分析原理如下图所示,实际堆栈信息根据不同CPU架构有所差异,此处仅做示意。

图1 堆栈分析原理示意图

图中不同颜色的寄存器表示不同的函数。可以看到函数调用过程中,寄存器的保存。通过FP寄存器,栈回溯到异常函数的父函数,继续按照规律对栈进行解析,推出函数调用关系,方便用户定位问题。

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