如何从软件中断异常中获取调用堆栈

Question

我正在尝试使用gdb 调试在裸机 ARM 平台上运行的程序。在某些时候会生成SWI（软件中断）异常。但是，如您所见，回溯并没有显示产生异常的原因：

(gdb)c

Continuing. 
^C 
Program received signal SIGTRAP, Trace/breakpoint trap. 0xffff0008 in ?? ()
(gdb) bt
#0  0xffff0008 in ?? ()

在ARM上运行的程序是用arm-none-linux-gnueabi-gcc -O2 -c -ggdb编译的，我也试过用-O0得到同样的结果。

如何获得有意义的调用堆栈？是否有其他方法可以找到产生此异常的原因？

Answer 1

要了解gdb 产生堆栈跟踪的问题，您首先必须了解gdb 如何产生堆栈跟踪。编译器在创建C 函数时使用标准的prologue 和epilogue，这是函数入口和出口处的汇编程序 代码。其中一部分是将lr 保存在堆栈上，为局部变量保留空间和链接前一个帧指针或fp。这些堆栈帧提供了一种以fp为root-ed且通常以零结束的链表类型。这取决于 ABI（请参阅 -mabi）。每种 ARM ABI 类型的具体细节略有不同，但概念相似。

因此，当SWI（或任何异常发生）时，它会完全中断C 编译代码的流程，并且帧指针 列表可能难以解码，尤其是在堆栈损坏的情况。此外，gdb 不会解码程序的上下文。某些系统可能会更改帧指针并立即从exception mode 切换到system/supervisor mode。异常的sp 甚至可以用作暂存寄存器。当输入SWI 时，处理程序的部分工作将是保存user 寄存器（r0-r12）。在多任务操作系统的情况下，这可能会导致user 堆栈从一个任务完全更改到另一个任务。

您始终可以通过在异常模式下检查lr 来确定错误/导致指令。这在ARM Architechure 中指定，对于任何ARM CPU 都是相同的。 0xfff0008 是默认的SWI 处理程序地址（使用高内存向量表时）。 ARM ARM（架构参考手册）中的SWI 除外，

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A2.6.4 软件中断异常

软件中断指令 (SWI) 进入超级用户模式以请求特定超级用户（操作系统）功能。执行 SWI 时，会执行以下操作：

   R14_svc    = address of next instruction after the SWI instruction
   SPSR_svc   = CPSR
   CPSR[4:0]  = 0b10011                 /* Enter Supervisor mode */
   CPSR[5]    = 0                       /* Execute in ARM state */
                                        /* CPSR[6] is unchanged */
   CPSR[7]    = 1                       /* Disable normal interrupts */
                                        /* CPSR[8] is unchanged */
   CPSR[9]    = CP15_reg1_EEbit         /* Endianness on exception entry */
   if high vectors configured then
       PC     = 0xFFFF0008
   else
       PC     = 0x00000008

要在执行SWI操作后返回，请使用以下指令恢复PC（来自R14_svc）和CPSR（来自SPSR_svc）并返回到SWI之后的指令：

       MOVS PC,R14

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如您所见，R14_svc 是在超级用户模式下的lr，设置为SWI 指令+4。这样正常返回会重新启动下面的指令。通过检查lr 的位置，您可以确定SWI 发生的位置。如果用户堆栈没有损坏，您可以使用编译器通过fp 使用的ABI 将您的supervisor 堆栈链接到user 堆栈。如果您这样做，那么gdb 可以提供堆栈跟踪。但是，在讨论的系统中，没有SWI支持代码。

您也可以编写gdb 宏来在这种情况下提供堆栈跟踪。但是，我希望很明显gdb 通常很难做到这一点。