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在嵌入式開發過程中，經常需要對代碼進行調試來解決各種各樣的問題，常用的調試手段有：

(1)、開發環境搭配硬件仿真器進行在線調試。優點：調試過程中能夠清楚的知道各個寄存器的值以及各個變量的值，程序的執行流程也能夠一目了然。缺點：板卡需要引出硬件仿真器的連接口，并且需要購買硬件仿真器。

(2)、通過調試串口打印信息梳理程序的執行流程，結合代碼分析問題產生的原因。優點：足夠簡單，通過增加較多的打印信息來分析問題出現的位置，再結合代碼分析問題產生的原因。缺點：沒法準確的定位問題產生的位置和原因。

(3)、在應用或者操作系統死機的時候，根據操作系統輸出的異常棧信息進行分析，再結合鏡像或者應用的反匯編代碼進行定位。通常這種方法和方法(2)結合使用。

本文主要簡單的講講棧回溯，對于以后去理解操作系統的異常棧處理打個基礎吧。

ARM 處理器的棧回溯主要有兩種方式：一種是基于棧幀寄存器（FP）的棧回溯，另一種是unwind形式的棧回溯。本文主要講講基于棧幀寄存器（FP）的棧回溯。

棧回溯相關寄存器

在棧回溯過程中，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，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，SP中的堆棧地址會自動的更新。

R12：又叫內部過程調用暫存寄存器（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，通常指向一個函數的棧幀底部，表示一個函數棧的開始位置。

ARM棧幀結構

依據AAPCS (ARM Archtecture Procedure Call Standard)規范，當調用子函數時，子函數一開始的代碼總是會執行壓棧操作來保留父函數的相關信息，壓棧步驟示例如下所示：

movip,sp
push{fp,ip,lr,pc}
subfp,ip,#4
subsp,sp,#16
...

每個函數都有自己的棧空間，這一部分稱為棧幀。棧幀在函數被調用的時候創建，在函數返回后銷毀。每個函數的棧幀是由SP寄存器和FP寄存器來界定的，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;
}

每個函數的棧幀中都會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保存函數的參數和局部變量；如果被調用的子函數參數過多，那么多余的參數會通過父函數的棧進行傳遞。比如func1函數的參數p5通過main函數的棧幀進行傳遞的。（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。

棧回溯原理

在棧回溯的過程中，我們主要利用FP寄存器進行棧回溯。通過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，這個數據就是函數的返回地址。同時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，就知道哪個函數調用了上一級函數以及這個函數的棧底地址。這就是棧回溯的流程，整個流程以FP為核心，依次找出每個函數棧幀中存儲的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系。

棧回溯編譯選項

當gcc的編譯選項帶有-mapcs-frame時，編譯出來的代碼能夠將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 ，此時編譯出來的代碼不一定會將PC，LR，SP和FP這四個寄存器的值壓入函數的棧幀中，可能只會將LR和FP寄存器的值壓入函數的棧幀中。關于-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-mapcs-frame選項被廢棄了，但是只有添加了該選項，編譯出來的代碼才會將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。

棧回溯示例

根據前面的內容，這里簡單的寫了一個棧回溯的示例，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，FP的值為0x9FDFFF94，此時內存數據如下：

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()之后的下一個執行地址一致：

800021c0:e3a00b33movr0,#52224;0xcc00
800021c4:eb000003bl800021d8

returnb;
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運行流程了。

在棧回溯的過程中我們可以利用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.棧回溯淺析

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