調(diào)試嵌入式程序時(shí)，你是否遇到過程序跑飛最終導(dǎo)致硬件異常中斷的問題？遇到這種問題是否感覺比較難定位？不知道問題出在哪里，沒有辦法跟蹤？尤其是當(dāng)別人的程序踩了自己的內(nèi)存，那就只能哭了:(

今天在論壇上看有同學(xué)求助這種問題，正好我還算有一點(diǎn)辦法，就和大家分享一下。

解決辦法非常非常簡單，本文將以Aduc7026（ARM7內(nèi)核）和LM3S8962（cortex內(nèi)核，STM32也是cortex內(nèi)核，同理）為例，講講解如何定位此種問題。

先說ARM7內(nèi)核，cortex內(nèi)核稍微有一點(diǎn)復(fù)雜，后面再說。

ARM7內(nèi)核有多種工作模式，每種模式下有R0~R15以及CPSR共17個(gè)寄存器可以使用，有關(guān)這些寄存器的細(xì)節(jié)我就不詳細(xì)介紹了，詳細(xì)的介紹請(qǐng)參考“底層工作者手冊之嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核”中的2.2~2.3節(jié)，這里只介紹與本文相關(guān)的寄存器。

其中R14又叫做LR寄存器，它被用來保存函數(shù)、中斷調(diào)用時(shí)的返回地址，看到了吧，它保存了“返回地址”！這不就是我們需要的么？就這么簡單，發(fā)生異常中斷時(shí)，LR寄存器中保存的地址附近就會(huì)有導(dǎo)致異常的指令。

接下來我們再先了解一下相關(guān)的知識(shí)，然后再通過一個(gè)例子構(gòu)造一個(gè)指令異常，然后再反推找到產(chǎn)生異常的這條指令，做一個(gè)實(shí)例演練！

當(dāng)程序跑飛時(shí)，絕大部分情況都會(huì)觸發(fā)硬件異常中斷，硬件異常中斷的中斷服務(wù)函數(shù)在中斷向量表中有定義，我們來看看ARM7的中斷向量表，在keil開發(fā)環(huán)境里（以下例子是在keil環(huán)境下介紹的），這個(gè)文件一般叫startup.s，如下：

Vectors:        LDR     PC, Reset_Addr

                LDR     PC, Undef_Addr

                LDR     PC, SWI_Addr

                LDR     PC, PAbt_Addr

                LDR     PC, DAbt_Addr

                NOP                            

                LDR     PC, IRQ_Addr

                LDR     PC, FIQ_Addr

Reset_Addr:     .word   Reset_Handler

Undef_Addr:     .word   ADI_UNDEF_Interrupt_Setup

SWI_Addr:       .word   ADI_SWI_Interrupt_Setup

PAbt_Addr:      .word   ADI_PABORT_Interrupt_Setup

DAbt_Addr:      .word   ADI_DABORT_Interrupt_Setup

IRQ_Addr:       .word   ADI_IRQ_Interrupt_Setup

FIQ_Addr:       .word   ADI_FIQ_Interrupt_Setup

ARM7的中斷向量表比較簡單，只有7種中斷，它把所有正常的中斷都放到了SWI、IRQ和FIQ中了，那么本文所介紹的異常情況將會(huì)觸發(fā)Undef、PAbt或者DAbt異常中斷，至于是哪種就需要看具體的原因了。

指令A    //觸發(fā)異常

指令B

比如說當(dāng)指令A無法執(zhí)行時(shí)，它就會(huì)觸發(fā)異常中斷，硬件就會(huì)自動(dòng)將這條指令后面的指令的所在地址，也就是指令B的地址保存到LR寄存器中，然后就跳轉(zhuǎn)到與這種異常相關(guān)的中斷向量表中，假如指令A觸發(fā)了Undef異常中斷，那么硬件就會(huì)跳轉(zhuǎn)到中斷向量表的第二個(gè)中斷向量Undef_Addr，從中斷向量表可知，這個(gè)中斷向量對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)就是ADI_UNDEF_Interrupt_Setup，這個(gè)函數(shù)一般是一個(gè)死循環(huán)，這樣單板就死了，當(dāng)我們停下程序時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)程序停在了這個(gè)函數(shù)里面。

我們來看下面這個(gè)實(shí)例，我把定位過程的每一步都記錄下來，一起來看下：

14  S32 main(void)

15  {

16      U8* pucAddr;

17  

18      

19      DEV_HardwareInit();

20  

21      

22      WLX_TaskInit(1, TEST_TestTask1, TEST_GetTaskInitSp(1));

23      WLX_TaskInit(2, TEST_TestTask2, TEST_GetTaskInitSp(2));

24  

25      

26      pucAddr = (U8*)0;

27      *pucAddr = 0;

28      

29  

30  

31      

32      WLX_TaskStart();

33  

34      return 0;

35  }

上面這段測試代碼是我在我寫的一個(gè)小型嵌入式操作系統(tǒng)上改的（有興趣的話可以訪問我的博客O(∩_∩)O），只需要關(guān)注26和27行即可，其余的只是陪襯，以使這段程序看起來稍微復(fù)雜一些。這兩行指令將0地址清0，0地址是中斷向量表，向這個(gè)地址寫數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致異常的，但——這正是我們所需要的。

然后，為了方便，我們在中斷向量表里把上面的3個(gè)異常中斷向量都修改一下，如下：

Vectors:        LDR     PC, Reset_Addr

                LDR     PC, FaultIsr

                LDR     PC, SWI_Addr

                LDR     PC, FaultIsr

                LDR     PC, FaultIsr

                NOP                            

                LDR     PC, IRQ_Addr

                LDR     PC, FIQ_Addr

這樣，只要發(fā)生異常中斷就都會(huì)進(jìn)入FaultIsr函數(shù)，FaultIsr函數(shù)如下：

void FaultIsr()

{

    while(1)

   {

        ;

   }

}

可以看到FaultIsr函數(shù)是個(gè)死循環(huán)，所以當(dāng)程序發(fā)生異常跑飛時(shí)就會(huì)死在這里了。

準(zhǔn)備工作完成，準(zhǔn)備實(shí)戰(zhàn)演練！在這之前還有一點(diǎn)需要注意，那就是最好將編譯選項(xiàng)設(shè)置為不優(yōu)化，這樣方便我們定位問題。當(dāng)然，實(shí)際情況也許不允許我們這么做，這樣的話就需要你有比較高的匯編語言水平了，這不在本文討論之內(nèi)，先不管了。我們在這個(gè)例子里將編譯選項(xiàng)設(shè)置為不優(yōu)化。

我們將上面改動(dòng)后的代碼重新編譯，然后加載到單板里，進(jìn)入仿真狀態(tài)，然后全速運(yùn)行，然后再停止運(yùn)行，我們就可以發(fā)現(xiàn)程序死在FaultIsr函數(shù)里了，如下圖所示：

圖1

從圖1可以看到程序停在了42行，這與我們的設(shè)計(jì)是一致的。在圖1的左側(cè)顯示了此時(shí)各個(gè)寄存器內(nèi)的數(shù)值，注意到LR寄存器了吧，這里保存的就是返回地址，出錯(cuò)的指令就在這附近。但，還有一點(diǎn)需要注意，FaultIsr函數(shù)是C語言函數(shù)，它運(yùn)行時(shí)可能會(huì)修改LR寄存器，如果是這樣的話，那么此時(shí)LR寄存器內(nèi)的數(shù)值就不是發(fā)生異常時(shí)的值了，為解決此問題，我們可以找到FaultIsr函數(shù)的起始地址，將斷點(diǎn)打在FaultIsr函數(shù)的起始地址，這樣當(dāng)異常發(fā)生時(shí)就會(huì)停在斷點(diǎn)的地方，也就是FaultIsr函數(shù)的起始地址，這樣就可以保證LR寄存器的值就是發(fā)生異常時(shí)的值了。

如果你的匯編語言足夠好，那么你可以在圖1右上角的匯編窗口里向上找，找到FaultIsr函數(shù)的起始地址。另外，我們還可以通過一個(gè)簡單的方法找到FaultIsr函數(shù)的起始地址。我們在keil的選項(xiàng)中選擇生成map文件，代碼編譯后就會(huì)生成一個(gè)map文件，我們可以從這個(gè)文件里找到FaultIsr函數(shù)的地址。

使用一個(gè)文本編輯器打開這個(gè)map文件，然后搜索“FaultIsr”，如下圖，我們就找到了FaultIsr函數(shù)的起始地址：0x80608。

圖2

在匯編窗口找到0x80608的地址，打上斷點(diǎn)，如下圖所示：

圖3

復(fù)位程序，再重新全速跑一遍，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)程序停在了斷點(diǎn)上，這時(shí)LR里面的數(shù)值就是程序異常時(shí)存入的返回地址，通過這個(gè)地址差不多就可以找到出錯(cuò)的指令了。

如圖3所示，LR的值為0x805ec，我們在匯編窗口里跳到這個(gè)地址，如下圖所示：

圖4

ARM7內(nèi)核有2級(jí)流水線，存入LR的地址一般會(huì)多+8個(gè)字節(jié)，因此0x805ec-8=0x805e4，如圖4所示，0x805e4地址是一條STRB R2，[R3]指令，這條指令的意思是將R2寄存器里的數(shù)值保存到R3寄存器所指向的地址（一個(gè)字節(jié)）內(nèi)。從圖3左側(cè)可以看到R2寄存器的數(shù)值為0，R3寄存器的數(shù)值也為0，那么這條指令的意思就是將0這個(gè)數(shù)值寫入0地址這個(gè)字節(jié)內(nèi)，這不是正好對(duì)應(yīng)上述main函數(shù)中27行的C指令么？

看到這里我們就應(yīng)該明白了，向0地址寫0，這條C指令有問題，那么這個(gè)跑飛的問題也就找到原因了，是不是很簡單？

當(dāng)然，實(shí)際情況可能要比上述介紹的情況復(fù)雜的多。實(shí)際使用的程序幾乎都是經(jīng)過優(yōu)化的，這樣從匯編指令找到C指令就會(huì)比較麻煩。還有可能FaultIsr函數(shù)的指令或者堆棧被破壞了，那么FaultIsr函數(shù)運(yùn)行都會(huì)出問題。還有可能出錯(cuò)的指令不會(huì)象27行這么明顯，可能是經(jīng)過了前面很多步驟的積累才在這里觸發(fā)異常的，最典型的就是別人的程序踩了你的內(nèi)存，結(jié)果錯(cuò)誤在你的程序里表現(xiàn)出來了，如果遇到這種情況你就先哭一頓吧。對(duì)于這種踩內(nèi)存的情況也是可以通過這種方法定位的，但這相當(dāng)復(fù)雜，需要從出錯(cuò)點(diǎn)開始到觸發(fā)異常點(diǎn)為止，這之間所有的堆棧信息，然后從最后的堆棧開始，結(jié)合反匯編的代碼，從最后一條指令向前推，直到發(fā)現(xiàn)問題的根源。這種方法相當(dāng)于是我們用我們的大腦模擬CPU的反向運(yùn)行過程，如果程序是經(jīng)過優(yōu)化的，那么這個(gè)過程就更麻煩了。我準(zhǔn)備在“底層工作者手冊之嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核”6.1節(jié)實(shí)例講解一個(gè)這種情況（現(xiàn)在是2012.02.28，手冊暫時(shí)只寫到了5.4節(jié)）。

好了，先不說這么復(fù)雜的了，接著上面的繼續(xù)說。

有時(shí)候出現(xiàn)問題的單板并不在我們手邊，問題也許不能復(fù)現(xiàn)，那么我們就可以預(yù)先在FaultIsr函數(shù)里做一個(gè)打印功能——將出現(xiàn)異常時(shí)的寄存器、堆棧、軟件版本號(hào)等信息打印出來，編寫這樣的FaultIsr函數(shù)需要注意，FaultIsr函數(shù)開始的代碼一定要用匯編語言來寫，以防止調(diào)用FaultIsr函數(shù)時(shí)的寄存器、堆棧信息被C語言破壞。

如果我們的單板有這樣的功能，那么當(dāng)單板跑死時(shí)，一般情況都會(huì)向外打印信息，比如上面的例子，就會(huì)打印出LR的值為0x805ec。但我們似乎又遇到了一個(gè)問題，我們?nèi)绾沃?/font>0x805ec這個(gè)地址是哪個(gè)函數(shù)的？別忘了，我們在一個(gè)版本發(fā)布時(shí)會(huì)將軟件所有的信息歸檔（什么？沒歸檔！這樣的公司我勸你還是走了吧），根據(jù)軟件版本號(hào)找到出問題的軟件的歸檔文件，取出map文件，利用上面講述的方法通過map文件我們就可以找到出問題的函數(shù)了。再通過軟件版本從歸檔文件中找到這個(gè)函數(shù)最終編譯鏈接生成的目標(biāo)文件，一般為.o、.axf、.elf等文件（必須是靜態(tài)鏈接的文件，需要有各種段信息的），不能是bin、hex等文件，windows、linux等動(dòng)態(tài)鏈接的文件已經(jīng)超出了我目前的知識(shí)范圍，也不再其中。