轉自：http://blog.csdn.net/jasonchen_gbd/article/details/45585133
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簡介
當內核出現比較嚴重的錯誤時，例如發生Oops錯誤或者內核認為系統運行狀態異常，內核就會打印出當前進程的棧回溯信息，其中包含當前執行代碼的位置以及相鄰的指令、產生錯誤的原因、關鍵寄存器的值以及函數調用關系等信息，這些信息對於調試內核錯誤非常有用。
打印函數調用關系的函數就是dump_stack()，該函數不僅可以用在系統出問題的時候，我們在調試內核的時候，可以通過dump_stack()函數的打印信息更方便的了解內核代碼執行流程。
dump_stack()函數的實現和系統結構緊密相關，本文介紹ARM體系中dump_stack()函數的實現。該函數定義在arch/arm/kernel/traps.c文件中，調用dump_stack()函數不需要添加頭文件，基本上在內核代碼任何地方都可以直接使用該函數。
相關基本知識
讀者需要了解一些ARM匯編的基本知識。在講代碼之前，我先簡單說說內核中函數調用的一般過程。
關鍵寄存器介紹：
| 寄存器 | 含義 |
|---|---|
| r0-r3 | 用作函數傳參，例如函數A調用函數B，如果A需要向B傳遞參數，則將參數放到寄存器r0-r3中，如果參數個數大於4，則需要借用函數的棧空間。 |
| r4-r11 | 變量寄存器，在函數中可以用來保存臨時變量。 |
| r9(SB) | 靜態基址寄存器。 |
| r10(SL) | 棧界限寄存器。 |
| r11(FP) | 幀指針寄存器，通常用來訪問函數棧，幀指針指向函數棧中的某個位置。 |
| r12(IP) | 內部過程調用暫存寄存器。 |
| r13(SP) | 棧指針寄存器，用來指向函數棧的棧頂。 |
| r14(LR) | 鏈接寄存器，通常用來保存函數的返回地址。 |
| r15(PC) | 程序計數器，指向代碼段中下一條將要執行的指令，不過由於流水線的作用，PC會指向將要執行的指令的下一條指令。 |
內核中的函數棧
內核中，一個函數的代碼最開始的指令都是如下形式:
mov ip, sp
stmfd sp!, {r0 - r3} (可選的)
stmfd sp!, {..., fp, ip, lr, pc} ……- 1
- 2
- 3
- 4
- 1
- 2
- 3
- 4
從其中兩條stmfd（壓棧）指令可以看出，一個函數的函數棧的棧底（高地址）的結構基本是固定的，如下圖： 
首先我們約定被調用的函數稱為callee函數，而調用者函數稱為caller函數。
在進行函數調用的回溯時，內核中的dump_stack()函數需要做以下嘗試：
- 首先讀取系統中的FP寄存器的值，我們知道幀指針是指向函數棧的某個位置的，所以通過FP的值可以直接找到當前函數的函數棧的地址。
- 得到當前函數的代碼段地址，這個很容易，因為當前正在執行的代碼（可通過PC寄存器獲得）就處在函數的代碼段中。在函數棧中保存了一個PC寄存器的備份，通過這個PC寄存器的值可以定位到函數的第一條指令，即函數的入口地址。
- 得到當前函數的入口地址后，內核中保存了所有函數地址和函數名的對應關系，所以可以打印出函數名（詳見另一篇博客：內核符號表的查找過程）。
- 在當前函數的函數棧中還保存了caller函數的幀指針（FP寄存器的值），所以我們就可以找到caller函數的函數棧的位置。
- 繼續執行2-4步，直到某個函數的函數棧中保存的幀指針（FP寄存器的值）為0或非法。
發生函數調用時，函數棧和代碼段的關系如下圖所示：
dump_stack()函數
接下來我們就來看一下dump_stack()函數的實現。
dump_stack()主要是調用了下面的函數
c_backtrace(fp, mode);- 1
- 1
兩個參數的含義為：
fp: current進程棧的fp寄存器。
mode: ptrace用到的PSR模式，在這里我們不關心。dump_stack傳入的值為0x10。
這兩個參數分別賦值給r0, r1寄存器傳給c_backtrace()函數。
c_backtrace函數定義如下（arch/arm/lib/backtrace.S）：
@ 定義幾個局部變量 #define frame r4 #define sv_fp r5 #define sv_pc r6 #define mask r7 #define offset r8 @ 當前處於dump_backtrace函數的棧中 ENTRY(c_backtrace) stmfd sp!, {r4 - r8, lr} @ 將r4-r8和lr壓入棧中，我們要使用r4-r8，所以備份一下原來的值。sp指向最后壓入的數據 movs frame, r0 @ frame=r0。r0為傳入的第一個參數，即fp寄存器的值 beq no_frame @ 如果frame為0，則退出 tst r1, #0x10 @ 26 or 32-bit mode? 判斷r1的bit4是否為0 moveq mask, #0xfc000003 @ mask for 26-bit 如果是，即r1=0x10，則mask=0xfc000003，即pc地址只有低26bit有效，且末兩位為0 movne mask, #0 @ mask for 32-bit 如果不是，即r1!=0x10，則mask=0 @ 下面是一段和該函數無關的代碼，用來計算pc預取指的偏移，一般pc是指向下兩條指令，所以offset一般等於8 1: stmfd sp!, {pc} @ 存儲pc的值到棧中,sp指向pc。 ldr r0, [sp], #4 @ r0=sp的值，即剛剛存的pc的值（將要執行的指令），sp=sp+4即還原sp adr r1, 1b @ r1 = 標號1的地址，即指令 stmfd sp!, {pc} 的地址 sub offset, r0, r1 @ offset=r0-r1，即pc實際指向的指令和讀取pc的指令之間的偏移 /* * Stack frame layout: * optionally saved caller registers (r4 - r10) * saved fp * saved sp * saved lr * frame => saved pc @ frame即上面的fp，每個函數的fp都指向這個位置 * optionally saved arguments (r0 - r3) * saved sp => <next word> * * Functions start with the following code sequence: * mov ip, sp * stmfd sp!, {r0 - r3} (optional) * corrected pc => stmfd sp!, {..., fp, ip, lr, pc} //將pc壓棧的指令 */ @ 函數主流程：開始查找並打印調用者函數 for_each_frame: tst frame, mask @ Check for address exceptions bne no_frame @ 由sv_pc找到將pc壓棧的那條指令，因為這條指令在代碼段中的位置有特殊性，可用於定位函數入口。 1001: ldr sv_pc, [frame, #0] @ 獲取保存在callee棧里的sv_pc，它指向callee的代碼段的某個位置 1002: ldr sv_fp, [frame, #-12] @ get saved fp，這個fp就是caller的fp，指向caller的棧中某個位置 sub sv_pc, sv_pc, offset @ sv_pc減去offset，找到將pc壓棧的那條指令，即上面注釋提到的corrected pc。 bic sv_pc, sv_pc, mask @ mask PC/LR for the mode 清除sv_pc中mask為1的位，例如，mask=0x4，則清除sv_pc的bit2。 @ 定位函數的第一條指令，即函數入口地址 1003: ldr r2, [sv_pc, #-4] @ if stmfd sp!, {args} exists, 如果在函數最開始壓入了r0-r3 ldr r3, .Ldsi+4 @ adjust saved 'pc' back one. r3 = 0xe92d0000 >> 10 teq r3, r2, lsr #10 @ 比較stmfd指令機器碼是否相同(不關注是否保存r0-r9)，目的是判斷是否為stmfd指令 subne r0, sv_pc, #4 @ allow for mov: 如果sv_pc前面只有mov ip, sp subeq r0, sv_pc, #8 @ allow for mov + stmia: 如果sv_pc前面有兩條指令 @ 至此，r0為callee函數的第一條指令的地址，即callee函數的入口地址 @ 打印r0地址對應的符號名，傳給dump_backtrace_entry三個參數： @ r0:函數入口地址， @ r1:返回值即caller中的地址， @ r2：callee的fp ldr r1, [frame, #-4] @ get saved lr mov r2, frame bic r1, r1, mask @ mask PC/LR for the mode bl dump_backtrace_entry @ 打印保存在棧里的寄存器，這跟棧回溯沒關系，本文中不太關心 ldr r1, [sv_pc, #-4] @ if stmfd sp!, {args} exists, sv_pc前一條指令是否是stmfd指令 ldr r3, .Ldsi+4 teq r3, r1, lsr #10 ldreq r0, [frame, #-8] @ get sp。frame-8指向保存的IP寄存器，由於mov ip, sp，所以caller的sp=ip @ 所以r0=caller的棧的低地址。 subeq r0, r0, #4 @ point at the last arg. r0+4就是callee的棧的高地址。 @ 由於參數的壓棧順序為r3,r2,r1,r0，所以這里棧頂實際上是最后一個參數。 bleq .Ldumpstm @ dump saved registers @ 打印保存在棧里的寄存器，這跟棧回溯沒關系，本文中不太關心 1004: ldr r1, [sv_pc, #0] @ if stmfd sp!, {..., fp, ip, lr, pc} ldr r3, .Ldsi @ instruction exists, 如果指令為frame指向的指令為stmfd sp!, {..., fp, ip, lr, pc} teq r3, r1, lsr #10 subeq r0, frame, #16 @ 跳過fp, ip, lr, pc，即找到保存的r4-r10 bleq .Ldumpstm @ dump saved registers，打印出來r4-r10 @ 對保存在當前函數棧中的caller的fp做合法性檢查 teq sv_fp, #0 @ zero saved fp means 判斷獲取的caller的fp的值 beq no_frame @ no further frames 如果caller fp=0，則停止循環 @ 更新frame變量指向caller函數棧的位置，將上面注釋中的Stack frame layout cmp sv_fp, frame @ sv_fp-frame mov frame, sv_fp @ frame=sv_fp bhi for_each_frame @ cmp的結果，如果frame<sv_fp，即當前fp小於caller的fp，則繼續循環 @ 這時frame指向caller棧的fp，由於函數中不會修改fp的值，所以這個fp肯定是指向caller保存的pc的位置的。 1006: adr r0, .Lbad @ 否則就打印bad frame提示 mov r1, frame bl printk no_frame: ldmfd sp!, {r4 - r8, pc} ENDPROC(c_backtrace) @ c_backtrace函數結束。 @ 將上面的代碼放到__ex_table異常表中。其中1001b ... 1006b是指上面的1001-1006標號。 .section __ex_table,"a" .align 3 .long 1001b, 1006b .long 1002b, 1006b .long 1003b, 1006b .long 1004b, 1006b .previous #define instr r4 #define reg r5 #define stack r6 @ 打印寄存器值 .Ldumpstm: stmfd sp!, {instr, reg, stack, r7, lr} mov stack, r0 mov instr, r1 mov reg, #10 mov r7, #0 1: mov r3, #1 tst instr, r3, lsl reg beq 2f add r7, r7, #1 teq r7, #6 moveq r7, #1 moveq r1, #'\n' movne r1, #' ' ldr r3, [stack], #-4 mov r2, reg adr r0, .Lfp bl printk 2: subs reg, reg, #1 bpl 1b teq r7, #0 adrne r0, .Lcr blne printk ldmfd sp!, {instr, reg, stack, r7, pc} .Lfp: .asciz "%cr%d:%08x" .Lcr: .asciz "\n" .Lbad: .asciz "Backtrace aborted due to bad frame pointer <%p>\n" .align .Ldsi: @ 用來判斷是否是stmfd sp!指令，並且參數包含fp, ip, lr, pc，不包含r10 .word 0xe92dd800 >> 10 @ stmfd sp!, {... fp, ip, lr, pc} @ 用來判斷是否是stmfd sp!指令，並且參數不包含r10, fp, ip, lr, pc .word 0xe92d0000 >> 10 @ stmfd sp!, {}