實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件調(diào)試問(wèn)題分析

　　內(nèi)存和寄存器的數(shù)據(jù)訛誤

　　大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都采用了平面化的內(nèi)存模式，也并沒(méi)有內(nèi)存管理單元(MMU)，于是沒(méi)有硬件支持的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制。即使采用能提供這種功能的處理器，也需要由開(kāi)發(fā)商來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)某些內(nèi)存區(qū)域的保護(hù)。進(jìn)程和線程將對(duì)其它進(jìn)程和線程的內(nèi)存空間有完全的訪問(wèn)權(quán)限。這可能會(huì)造成下面所描述的、各種類(lèi)型的內(nèi)存訛誤問(wèn)題。

　　堆棧溢出

　　運(yùn)行時(shí)堆棧是在函數(shù)調(diào)用進(jìn)程中所使用的一種暫存空間，用于存儲(chǔ)局部變量。硬件寄存器指針(SP)將跟蹤堆棧指針的地址。如果你在高級(jí)的語(yǔ)言中編程，如C語(yǔ)音，則編譯器所生成的代碼將使用與C語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)間模型相一致的堆棧。運(yùn)行時(shí)間模式定義了變量是如何存儲(chǔ)在堆棧中的以及編譯器將如何使用堆棧。局部的變量被放置在當(dāng)前的堆棧中。下面給出的例子描述了在堆棧上采用的某些關(guān)鍵性的內(nèi)存。

　　當(dāng)堆棧指針超出了其所指定的邊界時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)堆棧溢出。這將造成內(nèi)存的訛誤，并最終造成系統(tǒng)的失效。在上述的實(shí)例中，如果總的堆棧內(nèi)存區(qū)不足以容納所有的局部變量，堆棧溢出就會(huì)發(fā)生。

　　調(diào)試的一個(gè)技巧就是，如果你擔(dān)心溢出，一個(gè)好的做法，就是將堆棧安排在內(nèi)存邊界上，這樣，如果在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了溢出，則仿真器將觸發(fā)一個(gè)硬件異常提示。

　　開(kāi)發(fā)商可以采用的一個(gè)技巧是，如果你擔(dān)心堆棧的溢出，你就應(yīng)當(dāng)考慮把它放在有效的內(nèi)存的邊界上。這樣，當(dāng)堆棧溢出時(shí)，設(shè)備將報(bào)告硬件異常，而不是造成其它內(nèi)存空間的訛誤。

　　在獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用中，運(yùn)行時(shí)間堆?？赡芫鸵呀?jīng)夠用。然而，在使用任何一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)線程和過(guò)程都將有自己的堆棧?？紤]到性能方面的原因，大多數(shù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的堆棧尺寸都是事先確定的，無(wú)法在運(yùn)行中動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。這意味著，如果針對(duì)特定的線程/進(jìn)程所選用的堆棧尺寸不恰當(dāng)?shù)脑?，堆棧溢出就?huì)發(fā)生。

　　如果應(yīng)用大量使用局部變量(如陣列和大的結(jié)構(gòu))，則將不得不按比例為其分配堆棧的空間。人們可以利用malloc() 來(lái)分配內(nèi)存，或者將其設(shè)置為靜態(tài)的全局變量，具體是何種方法，則取決于實(shí)際應(yīng)用。

　　有些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可能會(huì)提供調(diào)試功能，例如保護(hù)位，以形成對(duì)堆棧溢出的防護(hù)。這些操作系統(tǒng)要么記錄關(guān)于堆棧溢出的錯(cuò)誤信息，要么提交一個(gè)異常報(bào)告，以便動(dòng)態(tài)地增加堆棧。最起碼當(dāng)前的大多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都能報(bào)告堆棧以及已經(jīng)被線程和進(jìn)程所采用的堆棧的情況。

　　在任何中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中，堆棧的分配方式都必須考慮到中斷服務(wù)例程所采用的空間。如果中斷例程的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使用當(dāng)前的執(zhí)行對(duì)象棧，則在這種情況下，每一個(gè)線程或進(jìn)程所擁有的最小的堆棧尺寸都應(yīng)大于或者等于執(zhí)行對(duì)象所要求的堆棧尺寸加上所有中斷例程累積起來(lái)所需要的最大的堆棧尺寸。

　　嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商必須掌握各種應(yīng)用鏈接庫(kù)。例如，第三方的庫(kù)可能會(huì)認(rèn)定堆棧上為其提供了空間。

　　中斷服務(wù)例程代碼編寫(xiě)時(shí)所出的問(wèn)題：

　　在嵌入式系統(tǒng)中，一般情況下，出于性能方面的考慮，中斷服務(wù)例程是以匯編形式編寫(xiě)的。中斷本質(zhì)上是異步的，在應(yīng)用執(zhí)行中的任何時(shí)刻都有可能出現(xiàn)。匯編層次上的中斷例程最常見(jiàn)的問(wèn)題，是寄存器的訛誤。在中斷服務(wù)例程中所采用的寄存器所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，在寄存器被使用之前都必須被保存，而在從中斷服務(wù)例程返回之前，這些數(shù)據(jù)將被恢復(fù)。開(kāi)發(fā)商必須了解狀態(tài)寄存器的情況，而任何一種ALU的操作都會(huì)改變其狀態(tài)。在這種情形中，ISR應(yīng)該保存其狀態(tài)并進(jìn)行恢復(fù)，仿佛它是一個(gè)已被使用的寄存器一般。

　　如果中斷例程是用C語(yǔ)言編寫(xiě) 的，它們的開(kāi)發(fā)也是為了使用當(dāng)前的堆棧，則開(kāi)發(fā)商就應(yīng)該針對(duì)堆棧溢出情況進(jìn)行防護(hù)，即每個(gè)線程都應(yīng)該擁有足夠多的堆棧，來(lái)滿足中斷或者嵌套的中斷堆棧的要求。最好的做法，就是讓中斷例程的規(guī)模盡可能小，推遲處理過(guò)程，交給一個(gè)線程或者優(yōu)先級(jí)較低的中斷。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)商可以在中斷的開(kāi)始和結(jié)束部分添加診斷功能，對(duì)基礎(chǔ)的架構(gòu)中的寄存器的狀態(tài)進(jìn)行比較。

　　中斷嵌套可以讓一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的中斷搶先于低優(yōu)先級(jí)的中斷例程執(zhí)行。開(kāi)發(fā)商應(yīng)該考慮到堆棧要求的峰值，并為其分配充足的空間(考慮最差的情況，即你的系統(tǒng)中的每一個(gè)中斷都被一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的中斷所搶先)。

　　而操作內(nèi)存映射寄存器(MMR)時(shí)，人們常常采用在線匯編以改善性能。例如，你在屏蔽中斷時(shí)，可能希望直接設(shè)定中斷屏蔽寄存器(IMASK)而不是執(zhí)行RTOS所提供的應(yīng)用軟件編程接口(API)。例如原子增加或減少操作常常是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。在C函數(shù)中，這些宏匯編可能會(huì)被調(diào)用，在這種情況下，編譯器可能不了解在宏匯編中所使用的寄存器。因此這會(huì)導(dǎo)致寄存器的訛誤。有些編譯器具有匯編的擴(kuò)展版，可以將關(guān)于這些函數(shù)的更多的信息傳遞給編譯器，例如已被使用的寄存器、代碼在內(nèi)存中的位置等等。這將使得編譯器可以生成恰當(dāng)?shù)拇a。

　　有時(shí)，某些函數(shù)是以匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的，將被C函數(shù)所調(diào)用。如果匯編代碼并未按照C函數(shù)運(yùn)行時(shí)間調(diào)用規(guī)范來(lái)編寫(xiě)，即按照編譯器所要求的那樣進(jìn)行，則會(huì)導(dǎo)致參數(shù)傳遞(argument passing)無(wú)效和訛誤。例如，C函數(shù)運(yùn)行時(shí)間模型可以規(guī)定前兩個(gè)參量必須通過(guò)寄存器R0和R1來(lái)傳遞，則匯編的實(shí)現(xiàn)方式就必須按照這種語(yǔ)法來(lái)編寫(xiě)。在另一種情況下，運(yùn)行時(shí)間模型可能需要存儲(chǔ)堆棧上的函數(shù)的返回地址。如果匯編的實(shí)現(xiàn)方法并不符合運(yùn)行時(shí)間模型，則它可能會(huì)攪亂某些 寄存器，并帶來(lái)系統(tǒng)的故障。如果開(kāi)發(fā)商使用混合模式的語(yǔ)言來(lái)避免這種類(lèi)型的問(wèn)題的話，開(kāi)發(fā)商就必須清楚運(yùn)行時(shí)間模型。

　　編譯器：

　　編譯器的優(yōu)化，即使實(shí)現(xiàn)了邏輯上的正確性，有時(shí)也仍然會(huì)造成故障。采用低水平的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器時(shí)，這一問(wèn)題特別關(guān)鍵。重排指令是實(shí)現(xiàn)更高性能的常用方法，因?yàn)樘幚砥鞒３ＶС謫蝹€(gè)周期內(nèi)執(zhí)行多條指令。因此，編譯器將試圖調(diào)度指令，使得所有的指令時(shí)間片都得到充分的利用，即使這意味著在寄存器使用前很久就載入數(shù)據(jù)，或者在數(shù)值被計(jì)算完畢后很久，也讓內(nèi)存保持載入的數(shù)據(jù)。請(qǐng)看附圖，其中描述了這種內(nèi)存的移動(dòng)是如何發(fā)生的。

linux操作系統(tǒng)文章專(zhuān)題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）

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