難以復現(xiàn)Bug的分析方法：堆棧分析實戰(zhàn)

嵌入式大雜燴

引言友情提示本文接近三千字，預計閱讀時間為10-15分鐘。建議您在空閑時細細閱讀，享受閱讀的樂趣。
難以復現(xiàn)的Bug之痛你是否曾為那些難以復現(xiàn)的Bug而頭疼不已？本文將揭秘一種通過堆棧分析來定位并解決這類問題的神奇方法。
作為一名開發(fā)人員，在開發(fā)過程中會碰到各式各樣的問題，如果能通過一些操作復現(xiàn)問題的，通過對目標板進行調(diào)試還能夠逐步分析。
但是，如果由于某些原因不能對目標板進行調(diào)試，這種情況分析可就比較復雜了。
這不，前一陣子就碰到了一個問題，在調(diào)試過程中，怎樣都無法復現(xiàn)問題。直到后來才發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，只有在對目標板上電時才有一定幾率復現(xiàn)問題，即頻繁的對目標板進行斷電-上電測試。
降臣：“你難道不好奇你的功力是從何而來嘛？”
李星云：“不好奇”
降臣：“你難道不好奇為何換心之后 無法壓制這突增的內(nèi)力嗎？”
李星云：“不好奇”
降臣：“你難道不好奇為何你只能活半年？”
李星云：“不好奇”
降臣：“你好奇”
李星云：“不好奇”
降臣：“你好奇”
李星云：“不好奇”
如何對這種問題進行分析，你難道不好奇嘛？
寄存器(SP、LR)詳解這里介紹兩個寄存器。SP（Stack Pointer）寄存器和LR（Link Register）寄存器是非常重要的寄存器。
SP寄存器：堆棧的指路明燈SP寄存器用于指向當前堆棧的棧頂位置。在函數(shù)調(diào)用時，SP寄存器會調(diào)整以反映堆棧的變化，確保數(shù)據(jù)正確地存儲和取出。
LR寄存器：函數(shù)調(diào)用與異常處理的橋梁LR寄存器有兩個作用。

函數(shù)調(diào)用：當一個函數(shù)調(diào)用另一個函數(shù)時，LR寄存器保存當前函數(shù)的返回地址。

異常處理：當發(fā)生異常時，LR寄存器保存異常處理程序的返回地址。[/ol]問題分析與解決流程揭秘保存現(xiàn)場在處理難以復現(xiàn)的Bug時，保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的一步。這就像是在犯罪現(xiàn)場拍照留證一樣，能夠為我們后續(xù)的分析提供寶貴的線索。
當上電出現(xiàn)死機問題后，插上Jlink，使用J-Link commander軟件連接目標板，然后通過命令將芯片RAM中的區(qū)域保存成二進制文件存放到電腦本地。
如果應用程序的版本號不確定，也可以將ROM中的程序保存到本地，操作方法同保存RAM，后面會說到如何保存。
接下來，我們會分析RAM中的數(shù)據(jù)。
幸運的情況下，可以直接找到最后一次被調(diào)用的函數(shù)，然后分析某個函數(shù)的功能，即可找到問題。而有的情況下就可能還需要根據(jù)函數(shù)的前后調(diào)用關(guān)系分析出問題所在。
分析堆棧數(shù)據(jù)我之前也不知道如何分析堆棧數(shù)據(jù)，第一次分析的時候就感覺進了一個迷宮，繞著繞著就把自己繞進去了。
你可以想象一下，拿著一份二進制文件，去分析函數(shù)的調(diào)用關(guān)系，想想就腦殼疼...
分析堆棧時需要知道下面幾個知識點，才能正確分析，我接下來會解釋一下。
堆棧結(jié)構(gòu)堆棧結(jié)構(gòu)主要有四種類型，分別是滿遞減堆棧、滿遞增堆棧、空遞減堆棧和空遞增堆棧。
遞增/遞減是指棧向高地址還是低地址增長，滿是指棧指針（SP）總是指向堆棧中的最后一個元素，即最后壓入的數(shù)據(jù)�？帐侵笚Ｖ羔槪⊿P）總是指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置。
常用的可能還是滿遞減堆棧比較多一點。
入棧順序因為我們要分析棧中的數(shù)據(jù)，所以我們通過匯編查看依次有哪些數(shù)據(jù)入棧，然后分析出當前的LR寄存器中的值。例如下方是一個入棧的匯編指令。我們需要知道入棧的順序，是從右往左入棧的還是從左往右入棧的。

0x08000644 B570      PUSH     {r4-r6,lr}案例J-Link Commande工具首先需要安裝J-Link軟件，去官網(wǎng)https://www.segger.com/downloads/jlink/下載，這里是一個套件，安裝后會有若干個獨立的小軟件。
我們需要使用的是J-Link Commande軟件。打開軟件之后，可以輸入?來查看支持的命令，如下圖：

感興趣的可以研究這些命令，會對自己有所幫助的。
分析�；�本信息這里需要分析的是棧屬于上面說的四種結(jié)構(gòu)的哪一種，以及數(shù)據(jù)入棧的順序是如何的。
這里我們需要將ARM仿真器連接目標板進行調(diào)試，通過單步調(diào)試定位到PUSH匯編指令中，如下圖所示：

當未執(zhí)行 0x08000E0C B510 PUSH {r4,1r} 入棧操作時，當前的棧指針SP指向0x20000658地址，并且該地址中值不為空。從而說明當前的SP指向的是最后一個入棧的元素，即可判定為滿堆棧。
隨后我們單步執(zhí)行，讓其執(zhí)行入棧操作，再來看堆棧中的數(shù)據(jù)，如下圖所示：

此時我們看到SP的地址為0x20000650，執(zhí)行了入棧操作，SP的地址減小了，從而判定堆棧的生長方向是遞減的。根據(jù)上述兩個判斷從而能得出堆棧結(jié)構(gòu)為滿遞減堆棧。
接下來我們要判斷數(shù)據(jù)入棧的順序，這個匯編是將r4以及l(fā)r寄存器中的值入棧。分析入棧后的數(shù)據(jù)得知，第一個入棧的數(shù)據(jù)為0x08000DE1，剛好是lr寄存器中的值。我在圖片中也標注了入棧數(shù)據(jù)對應的寄存器。從而可以得出結(jié)論，入棧的順序是從右往左的，先入棧lr后入棧r4。
保存RAM數(shù)據(jù)到本地需要執(zhí)行如下幾個步驟，即可連接到目標板。
當系統(tǒng)死機后，需要將目標板連接到ARM仿真器。

使用管理員的身份打開J-Link Commande工具(否則后面保存數(shù)據(jù)會提示寫入文件失敗)[/ol]

connect命令準備連接目標板選擇目標芯片型號選擇調(diào)試接口JTAGSWDcJTAG選擇接口速度連接成功提示

SaveBin命令保存棧數(shù)據(jù)[/ol]SaveBin c:/ram.bin 0x20000000 0x5000我這里是將整個RAM區(qū)域的數(shù)據(jù)保存起來了這里用到了一個SaveBin的命令，命令的原型如下：
SaveBin  SaveBin , ,   Save target memory range into binary file.
如下圖所示，是我連接目標板到保存RAM數(shù)據(jù)的所有操作，此時C盤根目錄就會出現(xiàn)一個ram.bin的文件。

分析棧數(shù)據(jù)當我們使用jlink連接目標板后，輸入命令h可以看到一些關(guān)鍵信息，如下圖：

可以看到SP(R13)= 20000654, PC = 08000E1E, IPSR = 000 (NoException)，那我們先去看pc指向的地址是屬于哪一個函數(shù)的。我們可以直接在匯編窗口中輸入地址然后直接跳轉(zhuǎn)過去，如下圖所示：

通過定位得知，這個地址是在InitC函數(shù)內(nèi)，如下圖：

而且這個函數(shù)剛執(zhí)行的時候，執(zhí)行了一次PUSH操作入棧了三個元素，根據(jù)之前的分析，入棧的順序是從右往左，所以第一個入棧的數(shù)據(jù)就是LR,又因為當前的SP指針指向的地址為20000654,然后去查ram.bin數(shù)據(jù)，如下圖：

從而可以推斷出LR的值為0x08000E13,這里是PC+1的值，所以函數(shù)返回的實際地址為0x08000E12。然后再在跳轉(zhuǎn)到這個地址，根據(jù)上面圖片，發(fā)現(xiàn)是一個出棧三個元素的指令，同樣找到LR實際地址0x08000E02然后在跳轉(zhuǎn)到這個地址，反發(fā)仍然是一個出棧三個元素的出棧指令，同樣找到LR實際地址為0x08001046，再繼續(xù)跳轉(zhuǎn)到這個地址，發(fā)現(xiàn)是一個延時函數(shù)了如下圖：

至此，就是通過分析棧數(shù)據(jù)分析函數(shù)的調(diào)用關(guān)系，這里寫了一個簡單的測試歷程，通過按下按鍵會執(zhí)行幾層函數(shù)調(diào)用最后進入一個死循環(huán)，從而模擬死機的情況。
怎么樣，看著是不是感覺特簡單，但是在實際的開發(fā)過程中，真實情況可能比這復雜百倍。
結(jié)語為了寫這篇文章真的下了血本，我買了一個STM32的小開發(fā)板以及一個ARM仿真器，這對于原本就不富裕的我來說無疑是雪上加霜。
感謝您的耐心閱讀！如果您覺得本文有幫助，請不要吝嗇您的點贊、分享和收藏！
猜你喜歡：
WiFi6+藍牙+星閃，三合一開發(fā)板，真香！
Github上熱門 C 語言項目匯總！
嵌入式，可測試性軟件設(shè)計！
一些低功耗軟件設(shè)計的要點！
嵌入式 C 保護結(jié)構(gòu)體的方式
實用 | 10分鐘教你通過網(wǎng)頁點燈
談?wù)勄度胧杰浖�的兼容性�?/strong>