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1. 前言

RTOS的環(huán)境開發(fā)中,棧的溢出檢測是一個(gè)重要的工作。棧溢出檢測我們可以借助硬件的MPU等實(shí)現(xiàn)，也可以使用軟件檢測。這里分享Freertos中的實(shí)現(xiàn)。這里基于Cortex-M4硬件平臺(tái)，一些具體的代碼就未貼出了，順便介紹了一下Cortex-M4棧相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。

2. 棧初始化

2.1任務(wù)啟動(dòng)前棧

復(fù)位后匯編代碼

IMPORT  __main


LDR     R0, =SystemInit


BLX     R0


LDR     R0, =__main


BX      R0


ENDP

會(huì)進(jìn)入__main將棧內(nèi)容寫為0。該部分由編譯器產(chǎn)生代碼實(shí)現(xiàn)。

棧的位置是鏈接腳本中指定。

2.2任務(wù)棧

xTaskCreate -> prvInitialiseNewTask將任務(wù)棧填充為tskSTACK_FILL_BYTE = ( 0xa5U )

然后調(diào)用pxPortInitialiseStack初始化任務(wù)棧上下文

對應(yīng)實(shí)際中斷后的棧如下：

3.任務(wù)切換

vPortSVCHandler函數(shù)模擬中斷返回

__asm void vPortSVCHandler( void )


{


PRESERVE8


/* Get the location of the current TCB. */


ldr r3, =pxCurrentTCB


ldr r1, [r3]


ldr r0, [r1]


/* Pop the core registers. */


ldmia r0!, {r4-r11, r14}


msr psp, r0


isb


mov r0, #0


msr basepri, r0


bx r14


}

其中

ldr r3, =pxCurrentTCB


ldr r1, [r3]


ldr r0, [r1]

是獲取棧指針r0即指向任務(wù)棧表中R4位置

ldmia r0!, {r4-r11, r14}是恢復(fù)R4-R11和portINITIAL_EXC_RETURN

msr psp, r0，更新棧指針，指向指向任務(wù)棧表中R0位置

bx r14模擬中斷返回 恢復(fù)R0-R3 R12 PC xPSR(硬件實(shí)現(xiàn))。

由于R14=portINITIAL_EXC_RETURN=0xfffffffd

根據(jù)手冊描述

返回時(shí)使用PSP棧，返回后使用PSP棧。與初始化對應(yīng)。

4.任務(wù)return

棧初始化時(shí)LR = prvTaskExitError 進(jìn)入子函數(shù)時(shí)LR會(huì)入棧，退出子函數(shù)時(shí)LR出棧。

所以如果任務(wù)不是while(1)形式而是在最后return則最終會(huì)進(jìn)入

prvTaskExitError執(zhí)行。一般rtos的任務(wù)都是while(1)結(jié)構(gòu) 不return。

5.棧指針

復(fù)位后使用MSP,任務(wù)根據(jù)返回時(shí)的LR值portINITIAL_EXC_RETURN使用PSP見“2.任務(wù)切換”。

中斷中固定使用MSP。

6.棧使用

中斷函數(shù)和mian使用中斷向量第一個(gè)字指向的棧區(qū)域。

任務(wù)使用任務(wù)棧。

在os啟動(dòng)前默認(rèn)時(shí)使用msp,根據(jù)中斷向量的第一個(gè)字加載msp

硬件實(shí)現(xiàn),或者bootloader跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用時(shí)配置。

啟動(dòng)os時(shí)prvStartFirstTask,又重新將中斷向量第一個(gè)字加載到msp。

今后中斷就使用msp對應(yīng)的棧,即os啟動(dòng)前main使用的棧。

因?yàn)閙ain一去不復(fù)返，所以這里覆蓋使用main時(shí)的棧，這樣可以節(jié)約內(nèi)存。

/* Use the NVIC offset register to locate the stack. */


ldr r0, =0xE000ED08


ldr r0, [r0]


ldr r0, [r0]


/* Set the msp back to the start of the stack. */


msr msp, r0

7棧檢測

7.1任務(wù)棧檢測

棧初始化時(shí)全部初始化為0xA5,運(yùn)行一段時(shí)間后棧頂部分使用變?yōu)槠渌怠?/p>

檢查棧底有多少連續(xù)的0xA5即可知道棧剩余多少。

Freertos提供接口函數(shù)uxTaskGetSystemState獲取棧信息。

Shell中輸入ps查看(具體代碼未貼出)。

7.2中斷棧/main函數(shù)棧檢測

根據(jù)4.和5.的分析,中斷和main函數(shù)棧使用中斷向量第一個(gè)字對應(yīng)的棧區(qū)域。

由于__main.c會(huì)將棧內(nèi)容清除為0.所以在啟動(dòng)第一個(gè)任務(wù)前將棧重新填充為0xa5。

有__main.c之前將棧填充為0xa5又會(huì)被清除為0，將填充代碼放在了任務(wù)啟動(dòng)前prvStartFirstTask函數(shù)中。這樣main函數(shù)到prvStartFirstTask之前的棧使用大小不可監(jiān)控。

只能監(jiān)控后續(xù)中斷使用的棧大小。如果要檢測main函數(shù)棧使用則要將填充代碼放在main函數(shù)執(zhí)行的第一條代碼后，需要嵌入?yún)R編影響代碼閱讀和可移植性，所以不按這種方式。

實(shí)際上main函數(shù)棧溢出也沒關(guān)系 ，但是編程必須要求提供手動(dòng)初始化變量的代碼，而不是依賴于編譯器的初始化。

比如有一個(gè)變量static int i =0;

編譯器提供代碼在__main中會(huì)對該變量初始化，如果main函數(shù)棧溢出覆蓋了這個(gè)變量的值。

那么在任務(wù)函數(shù)執(zhí)行時(shí)提供 void mode_init(void)函數(shù)

手動(dòng)再次初始化該變量i=0.

就可以避免問題。

建議在模塊任務(wù)啟動(dòng)時(shí)對屬于模塊的全局變量再次提供”構(gòu)造函數(shù)”手動(dòng)初始化。

修改freertos底層移植代碼

__asm void prvStartFirstTask( void )


{


PRESERVE8


/* Use the NVIC offset register to locate the stack. */


ldr r0, =0xE000ED08


ldr r0, [r0]


ldr r0, [r0]


/* Set the msp back to the start of the stack. */


msr msp, r0


//;初始化棧為0xA5A5A5A5  


MOV     R2,#0xA5A5A5A5


LDR     R0, =0x4000


MRS     R1, MSP


 SUBS    R1,R1,#4


LOOP STR R2,[R1,#0x00]


SUBS    R0,R0,#4


 SUBS    R1,R1,#4


CMP     R0,#0x00


BNE     LOOP

增加檢測代碼

其中0x4000需要根據(jù)實(shí)際設(shè)置的棧大小修改。0xE000ED08為中斷向量表地址。

/*****************************************************************************


* fn          uint32_t bsp_sys_getstack(void)


* brief       獲取棧大小.


* note        .


* return      剩余棧字節(jié)數(shù)


*****************************************************************************


*/


uint32_t bsp_sys_getstack(void)


{


uint32_t size = 0;


uint32_t* p = (uint32_t*)(*(uint32_t*)(*(uint32_t*)0xE000ED08) - 0x4000);


while(*p == (uint32_t)0xA5A5A5A5)


{


size += 4;


p++;


}


return size;


}

Shell中輸入stack命令查看(具體代碼未貼出)

8. 總結(jié)

簡單來說軟件實(shí)現(xiàn)棧檢測，就是將棧初始化為固定值。如果棧有使用則初始化值會(huì)變化，軟件從棧底開始查找看剩余多少內(nèi)容沒有被改寫就是剩余多少棧未使用。軟件檢測不是可靠的，因?yàn)橐绯隹赡苁翘S的，即棧底一部分實(shí)際未用指針直接跳到了更后面的溢出位置，軟件檢測還存在延遲，所以軟件檢測一般可用于評估棧使用大小。使用硬件MPU更可靠，設(shè)置只有本任務(wù)只能訪問本任務(wù)棧對應(yīng)的空間，一旦訪問其他空間就可以觸發(fā)MPU中斷這樣更及時(shí)可靠檢測。

審核編輯：湯梓紅