ARMv7-A那些事-栈回溯浅析

在嵌入式开发过程中，经常需要对代码进行调试来解决各种各样的问题，常用的调试手段有：

(1)、开发环境搭配硬件仿真器进行在线调试。优点：调试过程中能够清楚的知道各个寄存器的值以及各个变量的值，程序的执行流程也能够一目了然。缺点：板卡需要引出硬件仿真器的连接口，并且需要购买硬件仿真器。

(2)、通过调试串口打印信息梳理程序的执行流程，结合代码分析问题产生的原因。优点：足够简单，通过增加较多的打印信息来分析问题出现的位置，再结合代码分析问题产生的原因。缺点：没法准确的定位问题产生的位置和原因。

(3)、在应用或者操作系统死机的时候，根据操作系统输出的异常栈信息进行分析，再结合镜像或者应用的反汇编代码进行定位。通常这种方法和方法(2)结合使用。

本文主要简单的讲讲栈回溯，对于以后去理解操作系统的异常栈处理打个基础吧。

ARM处理器的栈回溯主要有两种方式：一种是基于栈帧寄存器（FP）的栈回溯，另一种是unwind形式的栈回溯。本文主要讲讲基于栈帧寄存器（FP）的栈回溯。

栈回溯相关寄存器

在栈回溯过程中，主要涉及如下寄存器：

R15：又叫程序计数器（Program Counter）PC，PC主要用于存放CPU取指的地址。

R14：又叫链接寄存器（Link register）LR，LR主要用于存放函数的返回地址，即当函数返回时，知道自己该回到哪儿去继续运行。

R13：又叫堆栈指针寄存器（Stack pointer）SP，SP通常用于保存堆栈地址，在使用入栈和出栈指令时，SP中的堆栈地址会自动的更新。

R12：又叫内部过程调用暂存寄存器（Intra-Procedure-call scratch register）IP，主要用于暂存SP。

R11：又叫帧指针寄存器（Frame pointer）FP，通常指向一个函数的栈帧底部，表示一个函数栈的开始位置。

ARM栈帧结构

依据AAPCS (ARM Archtecture Procedure Call Standard)规范，当调用子函数时，子函数一开始的代码总是会执行压栈操作来保留父函数的相关信息，压栈步骤示例如下所示：

 

mov ip, sp
push {fp, ip, lr, pc}
sub fp, ip, #4
sub sp, sp, #16
...

 

每个函数都有自己的栈空间，这一部分称为栈帧。栈帧在函数被调用的时候创建，在函数返回后销毁。每个函数的栈帧是由SP寄存器和FP寄存器来界定的，ARM栈帧结构典型示意图如下所示：

ARMv7-A架构-ARM栈帧结构

上图描述的栈帧，main函数和func1函数的示意代码如下：

 

int func1(int p1, int p2, int p3, int p4, int p5)
{
    int i;
    int j;

    i = 0xf3;
    j = 0xf6;

    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i;
    int j;

    i = 0x33;
    j = 0x66;
    func1(0xa1, 0xa2, 0xa3, 0xa4, 0xa5);

    return 0;
}

 

每个函数的栈帧中都会保存调用该函数之前的PC、LR、SP、FP寄存器的值；如果函数具有参数并且函数内部使用了局部变量，那么函数栈帧中也会保存函数的参数和局部变量；如果被调用的子函数参数过多，那么多余的参数会通过父函数的栈进行传递。比如func1函数的参数p5通过main函数的栈帧进行传递的。（注：编译器的版本不同，函数栈帧中参数和局部变量的压栈顺序可能不同，PC，LR，SP和FP这4个寄存器的压栈顺序一般是固定的）

函数栈帧中的PC和LR均指向代码段，PC表示执行入栈指令时CPU正在取指的地址，LR表示当前函数返回后继续执行的地址。

栈回溯原理

在栈回溯的过程中，我们主要利用FP寄存器进行栈回溯。通过FP就可以知道当前函数的栈底，从而可以找到存储在栈帧中的LR寄存器的数据，这个数据就是函数的返回地址。同时也可以找到保存在函数栈帧中的上一级函数FP的数据，这个数据指向了上一级函数的栈底，按照同样的方法可以找出上一级函数栈帧中存储的LR和FP数据，就知道哪个函数调用了上一级函数以及这个函数的栈底地址。这就是栈回溯的流程，整个流程以FP为核心，依次找出每个函数栈帧中存储的LR和FP数据，计算出函数返回地址和上一级函数栈底地址，从而找出每一级函数调用关系。

栈回溯编译选项

当gcc的编译选项带有-mapcs-frame时，编译出来的代码能够将PC，LR，SP和FP寄存器的值压入函数的栈帧中。默认情况下gcc的编译选项为-mno-apcs-frame ，此时编译出来的代码不一定会将PC，LR，SP和FP这四个寄存器的值压入函数的栈帧中，可能只会将LR和FP寄存器的值压入函数的栈帧中。关于-mapcs-frame选项，gcc的手册描述如下：

 

Generate a stack frame that is compliant 
with the ARM Procedure Call Standard for 
all functions, even if this is not strictly 
necessary for correct execution of the code. 
Specifying ‘-fomit-frame-pointer’ with this 
option causes the stack frames not to be 
generated for leaf functions. The default 
is ‘-mno-apcs-frame’.
This option is deprecated.

 

我这里使用的gcc信息如下：

 

$ arm-none-eabi-gcc -v
...
gcc version 10.3.1 20210824 (release) (GNU Arm Embedded Toolchain 10.3-2021.10)

 

虽然gcc手册上说-mapcs-frame选项被废弃了，但是只有添加了该选项，编译出来的代码才会将PC，LR，SP和FP寄存器的值压入函数的栈帧中。

我这里编译代码仍然使用-mapcs-frame选项，有知道该选项对应的新的栈帧配置选项的兄弟可以告知我一下。

栈回溯示例

根据前面的内容，这里简单的写了一个栈回溯的示例，函数调用流程为：main -> test_a -> test_b -> test_c。

函数的源代码如下：

 

int test_a(int arg0, int arg1, int arg2, int arg3, int arg4)
{
    int a;

    a = 0xff11;

    test_b(0xbb00);

    return a;
}

int test_b(int arg0)
{
    int b;

    b = 0xff22;

    test_c(0xcc00);

    return b;
}

int test_c(int arg0)
{
    int c;

    c = 0xff33;

    return c;
}

int main(void)
{
    int val;

    val = 0xff00;

    test_a(0xaa00, 0xaa11, 0xaa22, 0xaa33, 0xaa44);

    return 0;
}

 

上述函数的反汇编内容如下：

 

80002164 :

int test_a(int arg0, int arg1, int arg2, int arg3, int arg4)
{
80002164: e1a0c00d  mov ip, sp
80002168: e92dd800  push {fp, ip, lr, pc}
8000216c: e24cb004  sub fp, ip, #4
80002170: e24dd018  sub sp, sp, #24
80002174: e50b0018  str r0, [fp, #-24] ; 0xffffffe8
80002178: e50b101c  str r1, [fp, #-28] ; 0xffffffe4
8000217c: e50b2020  str r2, [fp, #-32] ; 0xffffffe0
80002180: e50b3024  str r3, [fp, #-36] ; 0xffffffdc
 int a;

 a = 0xff11;
80002184: e30f3f11  movw r3, #65297 ; 0xff11
80002188: e50b3010  str r3, [fp, #-16]

 test_b(0xbb00);
8000218c: e3a00cbb  mov r0, #47872 ; 0xbb00
80002190: eb000003  bl 800021a4 

 return a;
80002194: e51b3010  ldr r3, [fp, #-16]
}
80002198: e1a00003  mov r0, r3
8000219c: e24bd00c  sub sp, fp, #12
800021a0: e89da800  ldm sp, {fp, sp, pc}

800021a4 :

int test_b(int arg0)
{
800021a4: e1a0c00d  mov ip, sp
800021a8: e92dd800  push {fp, ip, lr, pc}
800021ac: e24cb004  sub fp, ip, #4
800021b0: e24dd010  sub sp, sp, #16
800021b4: e50b0018  str r0, [fp, #-24] ; 0xffffffe8
 int b;

 b = 0xff22;
800021b8: e30f3f22  movw r3, #65314 ; 0xff22
800021bc: e50b3010  str r3, [fp, #-16]

 test_c(0xcc00);
800021c0: e3a00b33  mov r0, #52224 ; 0xcc00
800021c4: eb000003  bl 800021d8 

 return b;
800021c8: e51b3010  ldr r3, [fp, #-16]
}
800021cc: e1a00003  mov r0, r3
800021d0: e24bd00c  sub sp, fp, #12
800021d4: e89da800  ldm sp, {fp, sp, pc}

800021d8 :

int test_c(int arg0)
{
800021d8: e1a0c00d  mov ip, sp
800021dc: e92dd800  push {fp, ip, lr, pc}
800021e0: e24cb004  sub fp, ip, #4
800021e4: e24dd010  sub sp, sp, #16
800021e8: e50b0018  str r0, [fp, #-24] ; 0xffffffe8
 int c;

 c = 0xff33;
800021ec: e30f3f33  movw r3, #65331 ; 0xff33
800021f0: e50b3010  str r3, [fp, #-16]

 return c;
800021f4: e51b3010  ldr r3, [fp, #-16]
}
800021f8: e1a00003  mov r0, r3
800021fc: e24bd00c  sub sp, fp, #12
80002200: e89da800  ldm sp, {fp, sp, pc}

80002204 
:

int main(void)
{
80002204: e1a0c00d  mov ip, sp
80002208: e92dd800  push {fp, ip, lr, pc}
8000220c: e24cb004  sub fp, ip, #4
80002210: e24dd010  sub sp, sp, #16
 int val;

 val = 0xff00;
80002214: e3a03cff  mov r3, #65280 ; 0xff00
80002218: e50b3010  str r3, [fp, #-16]

 test_a(0xaa00, 0xaa11, 0xaa22, 0xaa33, 0xaa44);
8000221c: e30a3a44  movw r3, #43588 ; 0xaa44
80002220: e58d3000  str r3, [sp]
80002224: e30a3a33  movw r3, #43571 ; 0xaa33
80002228: e30a2a22  movw r2, #43554 ; 0xaa22
8000222c: e30a1a11  movw r1, #43537 ; 0xaa11
80002230: e3a00caa  mov r0, #43520 ; 0xaa00
80002234: ebffffca  bl 80002164 

 return 0;
80002238: e3a03000  mov r3, #0
}
8000223c: e1a00003  mov r0, r3
80002240: e24bd00c  sub sp, fp, #12
80002244: e89da800  ldm sp, {fp, sp, pc}

 

当程序运行到test_c()函数的return c;代码处时，FP的值为0x9FDFFF94，此时内存数据如下：

Snipaste_2023-08-30_15-56-26

test_c()函数的栈底为0x9FDFFF94，可以得到test_c()函数栈帧中LR为0x800021C8、FP为0x9FDFFFB4，LR是test_c()函数执行完成后的返回地址，与反汇编代码中test_b()函数调用完test_c()之后的下一个执行地址一致：

 

800021c0: e3a00b33  mov r0, #52224 ; 0xcc00
800021c4: eb000003  bl 800021d8 

 return b;
800021c8: e51b3010  ldr r3, [fp, #-16] // test_c() 函数返回后继续执行的地址

 

FP为0x9FDFFFB4表示test_b()函数的栈底为0x9FDFFFB4，有了test_b()函数的栈底就可以得到test_b()函数栈帧中LR为0x80002194、FP为0x9FDFFFDC，从而知道test_b()函数执行完成后的返回地址以及test_a()函数的栈底，依次逐级回溯，就可以知道程序的整个运行流程了。

在栈回溯的过程中我们可以利用addr2line工具辅助我们对程序执行流程的分析。

审核编辑：刘清