如何展开 ARM Cortex M3 堆栈

Question

ARM Coretex STM32 的 HardFault_Handler 在发生崩溃时只能获取几个寄存器值，r0、r1、r2、r3、lr、pc、xPSR。但是堆栈中没有FP和SP。因此我无法展开堆栈。 有什么解决办法吗？非常感谢。

[更新]
按照 web 指令通过添加编译选项“--use_frame_pointer”让 ARMGCC（Keil uvision IDE）生成 FP，但我在堆栈中找不到 FP。我在这里是一个真正的新手。下面是我的演示代码：

int test2(int i, int j)
{
    return i/j;
}

int main()
{
    SCB->CCR |= 0x10;
    int a = 10;
    int b = 0;
    int c;
    c = test2(a,b);
}

enum { r0 = 0, r1, r2, r3, r11, r12, lr, pc, psr};
void Hard_Fault_Handler(uint32_t *faultStackAddress)
{
    uint32_t r0_val = faultStackAddress[r0]; 
    uint32_t r1_val = faultStackAddress[r1];
    uint32_t r2_val = faultStackAddress[r2]; 
    uint32_t r3_val = faultStackAddress[r3];
    uint32_t r12_val = faultStackAddress[r12]; 
    uint32_t r11_val = faultStackAddress[r11]; 
    uint32_t lr_val =  faultStackAddress[lr];
    uint32_t pc_val =  faultStackAddress[pc];
    uint32_t psr_val = faultStackAddress[psr];
}

我有两个问题：
1.我不确定 FP(r11) 的索引在堆栈中的位置，或者它是否被推入堆栈。我假设它在 r12 之前，因为我比较了添加选项“--use_frame_pointer”之前和之后的汇编源代码。我还比较了从 Hard_Fault_Handler 读取的值，似乎 r11 不在堆栈中。因为我读取的 r11 地址指向了一个代码不是我的代码的地方。 [更新] 我已经确认 FP 被压入堆栈。第二个问题还需要回答。

参见下面的sn-p代码：

没有选项“--use_frame_pointer”

test2 PROC
        MOVS     r0,#3
        BX       lr
        ENDP

main PROC
        PUSH     {lr}
        MOVS     r0,#0
        BL       test2
        MOVS     r0,#0
        POP      {pc}
        ENDP

使用选项“--use_frame_pointer”

test2 PROC
        PUSH     {r11,lr}
        ADD      r11,sp,#4
        MOVS     r0,#3
        MOV      sp,r11
        SUB      sp,sp,#4
        POP      {r11,pc}
        ENDP

main PROC
        PUSH     {r11,lr}
        ADD      r11,sp,#4
        MOVS     r0,#0
        BL       test2
        MOVS     r0,#0
        MOV      sp,r11
        SUB      sp,sp,#4
        POP      {r11,pc}
        ENDP

2。好像FP不在Hard_Fault_Handler()的入参faultStackAddress中，哪里可以得到调用者的FP展开栈？
[再次更新] 现在我明白了最后一个 FP(r11) 没有存储在堆栈中。我需要做的就是读取 r11 寄存器的值，然后我可以展开整个堆栈。
所以现在我的最后一个问题是如何使用 C 的内联汇编程序来读取它。我尝试了下面的代码，但未能在参考之后从 r11 读取正确的值的http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0472f/Cihfhjhg.html

volatile int top_fp;
__asm
{
    mov top_fp, r11
}

r11 的值为 0x20009DCC top_fp 的值为 0x00000004

[更新 3] 下面是我的全部代码。

int test5(int i, int j, int k)
{
    char a[128] = {0} ;
    a[0] = 'a';
    return i/j;
}
int test2(int i, int j)
{
    char a[18] = {0} ;
    a[0] = 'a';
    return test5(i, j, 0);    
}


int main()
{
    SCB->CCR |= 0x10;
    int a = 10;
    int b = 0;
    int c;
    c = test2(a,b); //create a divide by zero crash
}

/* 故障处理程序实现调用一个名为 Hard_Fault_Handler() 的函数。 */

#if defined(__CC_ARM)
__asm void HardFault_Handler(void)
{
   TST lr, #4
   ITE EQ
   MRSEQ r0, MSP
   MRSNE r0, PSP
   B __cpp(Hard_Fault_Handler)
}
#else
void HardFault_Handler(void)
{
   __asm("TST lr, #4");
   __asm("ITE EQ");
   __asm("MRSEQ r0, MSP");
   __asm("MRSNE r0, PSP");
   __asm("B Hard_Fault_Handler");
}
#endif

void Hard_Fault_Handler(uint32_t *faultStackAddress)
{
   volatile int top_fp;
   __asm
   {
       mov top_fp, r11
   }
   //TODO: use top_fp to unwind the whole stack.

 }

[更新 4] 最后，我成功了。我的解决方案：
注意：要访问 r11，我们必须使用嵌入式汇编程序，请参阅here，这花了我很多时间来弄清楚。

//we have to use embedded assembler.     
__asm int getRegisterR11()
{
    mov r0,r11
    BX LR
}

//call it from Hard_Fault_Handler function.
/*
Function call stack frame:
   FP1(r11) ->    | lr |(High Address)
                  | FP2|(prev FP)
                  | ...| 
Current FP(r11) ->| lr |
                  | FP1|(prev FP)
                  | ...|(Low Address)

    With FP, we can access lr(link register) which is the address to return when the current functions returns(where you were).
    Then (current FP - 1) points to prev FP.
    Thus we can unwind the stack.
*/
void unwindBacktrace(uint32_t topFp, uint16_t* backtrace)
{
    uint32_t nextFp = topFp;
    int j = 0;

    //#define BACK_TRACE_DEPTH 5
    //loop backtrace using FP(r11), save lr into an uint16_t array.
    for(int i = 0; i < BACK_TRACE_DEPTH; i++)
    {
        uint32_t lr = *((uint32_t*)nextFp);
        if ((lr >= 0x08000000) && (lr <= 0x08FFFFFF))
        {
            backtrace[j*2] = LOW_16_BITS(lr);
            backtrace[j*2 + 1] = HIGH_16_BITS(lr);
            j += 1;
        }
        nextFp = *((uint32_t*)nextFp - 1);
        if (nextFp == 0)
        {
            break;
        }
    }
}

#if defined(__CC_ARM)
__asm void HardFault_Handler(void)
{
   TST lr, #4
   ITE EQ
   MRSEQ r0, MSP
   MRSNE r0, PSP
   B __cpp(Hard_Fault_Handler)
}
#else
void HardFault_Handler(void)
{
   __asm("TST lr, #4");
   __asm("ITE EQ");
   __asm("MRSEQ r0, MSP");
   __asm("MRSNE r0, PSP");
   __asm("B Hard_Fault_Handler");
}
#endif

void Hard_Fault_Handler(uint32_t *faultStackAddress)
{
       //get back trace
    int topFp = getRegisterR11();

    unwindBacktrace(topFp, persistentData.faultStack.back_trace);
}

Answer 1

在这种情况下展开堆栈的非常原始的方法是读取在 HardFault_Handler 时看到的 SP 以上的所有堆栈内存，并使用 arm-none-eabi-addr2line 处理它。保存在堆栈中的所有链接寄存器条目都将转换为源代码行（请记住，实际的代码路径位于之前 LR 指向的行）。请注意，如果中间的函数是使用 branch 指令 (b) 而不是 branch 和 link (bl) 调用的，您将不会使用此方法看到它们。

（我没有足够的声望点来写 cmets，所以我正在编辑我的答案）：

问题 2 的更新：

您为什么认为 Hard_Fault_Handler 有任何参数？ Hard_Fault_Handler 通常是一个函数，其地址存储在向量（异常）表中。当处理器异常发生时，将执行 Hard_Fault_Handler。这样做不涉及任何参数。但是，故障发生时的所有寄存器仍然被保留。具体来说，如果您在没有 omit-frame-pointer 的情况下编译，则可以只读取 R11（或 Thumb-2 模式下的 R7）的值。 然而，要确保在您的代码中 Hard_Fault_Handler 实际上是一个真正的 硬故障处理程序，请查看 startup.s 代码并查看 Hard_Fault_Handler 是否位于向量表中的 第三个​​ 条目中。如果有其他函数，则意味着 Hard_Fault_Handler 只是从该函数显式调用。有关详细信息，请参阅此article。你也可以阅读我的blog :) 有一章是关于堆栈的，它是基于 Android 的例子，但是很多东西都是一样的。

还要注意，faultStackAddress 中很可能应该存储一个堆栈指针，而不是帧指针。

更新 2

好的，让我们澄清一些事情。首先，请粘贴调用 Hard_Fault_Handler 的代码。其次，我猜你是从真正的 HardFault 异常处理程序中调用它的。在这种情况下，您不能期望 R11 会位于 faultStackAddress[r11]。您已经在问题的第一句话中提到了它。 只有 r0-r3、r12、lr、pc 和 psr。

你也写过：

但是堆栈中没有FP和SP。因此我无法放松 堆。有什么解决办法吗？

SP 不在“堆栈中”，因为您已经在堆栈寄存器之一（msp 或 psp）中拥有它。再次查看THIS ARTICLE。此外，FP 对于展开堆栈并不重要，因为您可以在没有它的情况下完成它（通过“导航”通过保存的链接寄存器）。另一件事是，如果你将内存转储到你的 SP 之下，如果你真的需要它，你可以期望 FP 就在保存的 LR 旁边。

回答您的最后一个问题：我现在不知道您如何验证此代码以及如何调用它（您需要粘贴完整代码）。您可以查看该功能的组装，并查看引擎盖下发生了什么。您可以做的其他事情是关注this post 作为模板。