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顛覆你對ARM Cortex-M斷點認(rèn)知

痞子衡嵌入式 ? 來源: 大寧筆記不重名 ? 2023-08-17 09:31 ? 次閱讀
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1. 問題描述:

最近好久沒做筆記了,期間收到的很多后臺問題留言以及新的粉絲關(guān)注,感覺花時間碼的這些文字還是有用戶在認(rèn)真閱讀的,節(jié)省了不少重復(fù)勞動。似乎每個夏季到了,離譜撞腦門子的問題就會變多,尤其一些車上的偶發(fā)問題復(fù)現(xiàn)難度很大甚是令人上頭,盡管分析過程中很花時間和精力,但是深究下去感覺還是收獲頗多。最近在支持BLE KW客戶時就遇到一個很隱蔽的問題,讓我對ARM斷點又有了顛覆性的認(rèn)識,此處聊作記錄,也為讀者分析問題提供一個思路。

客戶在同一批次的KW36板子上燒錄同樣的代碼,都可以正常運行,但有幾塊板子會莫名其妙Hard fault,而且這幾塊板出現(xiàn)Hard fault的地點各不相同,其中一塊KW36板子是在收到某個固定UDS診斷服務(wù)執(zhí)行處理時出現(xiàn)Hard fault,而且一旦問題出現(xiàn)該板子一直能重復(fù)復(fù)現(xiàn)問題。借助之前的一篇舊文《KW36 MCU Hard Fault問題查找和破解方法》通過Attach方式在Ozone IDE(Segger 出品的一個Debug神器)中連接上去Debug,很快查到導(dǎo)致Hard fault問題現(xiàn)場(沒白瞎之前花時間研究,大有一番練就打狗棒法,終于遇到一條狗的喜出望外),發(fā)現(xiàn)每次出錯的位置都在同一行C代碼,仔細(xì)檢查該段代碼只是個平淡無奇的一個函數(shù)調(diào)用,檢查過stack空間也確認(rèn)沒有溢出,那為何會出錯呢?同樣的代碼為何只有這幾個板子出錯呢?

2. 問題分析:

本著花里胡哨的問題都是隱藏在最樸實無華角落的真理,去對比了下兩者的匯編(實際上是真的沒啥思路),偶然發(fā)現(xiàn)在Attach到問題板分別執(zhí)行全速運行到出錯代碼行和單步運行到出錯代碼行時,兩者匯編竟然差異。如下圖右側(cè)是正常執(zhí)行Attach到芯片得到的匯編代碼,左邊是出錯時的匯編代碼,發(fā)現(xiàn)出問題時匯編竟然出現(xiàn)了DC16和CDP2。DC16對應(yīng)常量聲明,顯然DC16不應(yīng)該在此處出現(xiàn),CDP2是協(xié)處理器數(shù)據(jù)處理指令,KW36作為一個單核芯片,肯定無協(xié)處理器,更談不上協(xié)處理器指令。

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考慮到上述的調(diào)試操作都是在Attach方式,不存在因為代碼下載導(dǎo)致Flash內(nèi)容被修改的可能,那可能只有兩個:IDE解析錯誤以及代碼被意外修改,顯然前者是個死胡同,無從查起。于是順著第二條路Dump芯片內(nèi)二進(jìn)制(左側(cè))和原始二進(jìn)制文件(右側(cè))對比發(fā)現(xiàn)兩者Flash確實有差異。如下圖所示,F(xiàn)000的值被修改成了BE00,同時處理CRC校驗值也被修改,So什么原因?qū)е翭lash被修改了呢?

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以前有概念說斷點會程序代碼做修改,但這個二進(jìn)制碼的修改如何和斷點扯上關(guān)系呢?于是開始了漫長的Google/Bing/度娘/ARM各種文檔里面輪番挖呀挖呀挖,直到挖出Cortex-M3權(quán)威指南中提到如下一句"BKPT 指令的機(jī)器碼是 0xBE00",頓時豁然開朗,坐實了斷點導(dǎo)致Flash內(nèi)容被修改。

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可新的問題來了,斷點是如何修改到這段Flash內(nèi)容的呢?什么類型的斷點會修改Flash?斷點改了Flash內(nèi)容為何不會被還原?打斷點要注意什么才能保證修改后的Flash內(nèi)容被正確還原?打軟件斷點是否會修改Flash內(nèi)容?Flash斷點,硬件斷點以及程序斷點的區(qū)別?芯片明明寫著支持2個breakpoint,為何同一個IDE配合不同的調(diào)試工具實際上可以打出的斷點個數(shù)有差異?帶著一堆問號繼續(xù)探尋...

3. 斷點類型和實現(xiàn)原理分析

斷點的實現(xiàn)原理網(wǎng)上有很多介紹,大致意思都是說在程序運行的某個地方提前設(shè)置一個停止操作,CPU運行到該位置之后就會自動暫停,此時開發(fā)者就可以查看CPU寄存器的工作狀態(tài)。可這里的”設(shè)置一個停止操作“是如何實現(xiàn)的呢?又意味著什么呢?網(wǎng)上找到的都是基于X86的實現(xiàn)細(xì)節(jié)介紹,針對ARM的實現(xiàn)細(xì)節(jié)找了半天也都是語焉不詳。發(fā)揮絕知此事要躬行的精神(客戶需要復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場),筆者使用JLINK/I-JET+IAR在KW38 demo板子上做了一番測試,得出幾個很有意思的結(jié)論,完全顛覆了以前對斷點的一些認(rèn)識,此處先拋出結(jié)論。

根據(jù)IDE和調(diào)試器的不同,斷點類型也被分為很多種包括硬件斷點、軟件斷點、Flash斷點、數(shù)據(jù)斷點、程序斷點、條件斷點、代碼斷點以及Trace斷點等。從實現(xiàn)原理上來講,一共有四大類:硬件斷點、軟件斷點、數(shù)據(jù)斷點以及Flash斷點,因為程序斷點和代碼斷點從原理上講可以歸屬于硬件斷點或者Flash斷點(具體哪一種取決于控制器支持的硬件斷點個數(shù)),條件斷點屬于數(shù)據(jù)斷點,Trace斷點是結(jié)合Trace工具的程序斷點。下面分別深入介紹這四種斷點的實現(xiàn)機(jī)制:

3.1 硬件斷點:

硬件斷點需要MCU內(nèi)部支持,其數(shù)量一般是有限的,具體取決于芯片廠商的實現(xiàn),對應(yīng)KW38、KW45、S32K1以及S32K3斷點支持個數(shù)統(tǒng)計如下表所示。從實現(xiàn)原理上講硬件斷點是通過FPB模塊來實現(xiàn)的,盡管這塊是芯片廠商自行實現(xiàn)的,但是ARM架構(gòu)已為其分配固定的地址區(qū)域,如下圖紅色方框。所以不論哪個公司的cortex芯片,用戶都可以通過該地址查看已設(shè)置的硬件斷點所在地址。FPB提供了兩個功能:斷點功能和Flash地址重載, Flash地址重載是其一個高階功能,此處用到的是其斷點功能。當(dāng)在程序中設(shè)置了硬件斷點后,該斷點處的地址就會被寫入到FPB的存儲區(qū)域,即E000_2000 – E000_3FFF區(qū)域,當(dāng)CPU訪問該地址時,因為該地址在FPB中已經(jīng)注冊過,硬件就會自動觸發(fā)一個斷點事件。

硬件斷點個數(shù) 2個 8個 6個 8個
芯片型號 KW38(M0+) KW45(M33) S32K1(M4) S32K3(M7)

3.2 Flash斷點:

Flash斷點也就是本次問題的罪魁禍?zhǔn)琢?,也是從原理上來講最最容易出現(xiàn)問題的斷點。其實現(xiàn)原理是在設(shè)置Flash斷點時,IDE和仿真器會配合修改控制器Flash上的內(nèi)容,進(jìn)一步說就是將斷點處的指令修改為斷點指令0xBE00,相應(yīng)地就會牽涉到對Flash的擦除和編程操作。由于Flash內(nèi)容是非易失的,所以有可能在調(diào)試器意外斷開后對Flash斷點處插入的斷點指令還保留著,在用戶復(fù)位直接運行程序可能就會導(dǎo)致程序無法正常運行。

目前市場上各種宣稱支持Unlimited Breakpoint無限斷點的仿真器采用的就是這個原理,如下截圖的JLINK工具。需要提出的是Flash斷點不是任意仿真器+IDE的組合都支持的,需要IDE和仿真器配合起來,譬如Ozone/Embeded Studio配合JLINK,IAR需要配合I-JET才能在斷點設(shè)置時指定使用Flash斷點,如果IAR配合JLINK只能選擇軟件斷點(實際使用的其實也是Flash斷點,只是標(biāo)注上不帶F標(biāo)記)。I-JET和JLINK在支持Flash斷點的差別主要是對Flash執(zhí)行修改的策略,譬如一個Sector地址區(qū)域的多個Flash斷點是執(zhí)行一次還是多次的Flash操作,以及Flash插入的斷點恢復(fù)策略等,需要使用時自行體會。

3.3 軟件斷點:

軟件斷點最開始主要用于RAM中設(shè)置斷點,它的實現(xiàn)機(jī)制是將RAM中原有的指令替換為一個斷點指令,當(dāng)CPU執(zhí)行到該指令之后就會自動暫停,這個時候調(diào)試器便會將原有的指令放回原來位置。這個過程都是調(diào)試器自動實現(xiàn)的,對RAM的更新速度很快,所以用戶一般覺察不到。但實際情況是現(xiàn)在很多MCU受限于RAM大小,程序都是存放在Flash區(qū)域的,所以當(dāng)斷點大于硬件斷點數(shù)量后,即便新的斷點選成軟件斷點,很多時候也會被設(shè)置為Flash斷點,意味著Flash斷點有的問題在使用軟件斷點時也需要注意,這也是為何將軟件斷點的講解放在Flash斷點之后。

3.4 數(shù)據(jù)斷點:

數(shù)據(jù)斷點又稱為條件斷點,在ARM內(nèi)核手冊上稱為watchpoint斷點,是在CPU對特定地址訪問時會觸發(fā)的一種斷點,在芯片內(nèi)部實現(xiàn)上需要DWT和FPB共同配合完成,在設(shè)置斷點的時候可以設(shè)置觸發(fā)的條件,比如對特定地址的讀訪問還是寫訪問。這種斷點對于追蹤堆棧溢出相關(guān)的問題有奇效。數(shù)據(jù)斷點同樣需要硬件支持,數(shù)量一般也是有限的,如對應(yīng)KW38、KW45、S32K1以及S32K3數(shù)據(jù)斷點支持個數(shù)統(tǒng)計如下表所示。

數(shù)據(jù)斷點個數(shù) 2個 4個 4個 4個
芯片型號 KW38(M0+) KW45(M33) S32K1(M4) S32K3(M7)

4. 斷點實驗證明:

為了證明以上觀點,筆者在KW38板子上做了一系列的測試如下:

4.1 IAR+I-JET 強(qiáng)制使用2個Flash斷點,無硬件斷點:

如下截圖可以看到,在匯編和memory窗口中的數(shù)據(jù)都是原始的binary文件,但是通過額外的JLINK同時去Attach上去讀取可以看到對應(yīng)0x16996地址和0x169A0物理地址的數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改為了0xBE00;此處要特別鳴謝下IAR的Wen hao兄給的啟發(fā),確實沒想到IARMemory窗口讀取的數(shù)據(jù)和匯編窗口的指令居然都是假數(shù)據(jù)。

Note: IAR需要配合IAR公司自己的I-JET才能選擇Flash斷點,如果選擇JLINK等其他工具只能設(shè)置軟件斷點;

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4.2 IAR+JLINK 使用2個硬件斷點+1個Flash斷點:

如下圖1 可以看到,兩個硬件斷點地址0x1FA2以及0x1FA6都被注冊到了FPB寄存器的0xE0002000地址了。要指出的是,此處提到的Flash斷點在IAR中顯示為軟件斷點,因為IAR中默認(rèn)僅支持使用I-JET的工具去打Flash斷點,其標(biāo)志就是會在紅點里面顯示一個F圖標(biāo)。所以這也就是前文說到的,對于Flash運行的代碼軟件斷點在實現(xiàn)上本質(zhì)也還是Flash斷點。

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下圖2 可以看到,強(qiáng)制設(shè)置為line 38和line40處為硬件斷點之后,因為KW38只支持2個硬件斷點,main處這個斷點就被強(qiáng)制設(shè)定為了Flash斷點,分別去讀取0x1F98, 0x1FA2以及0x1FA6地址的值,可以看到main處斷點所在的地址內(nèi)容被修改為了0xBE00,0x1FA2以及0x1FA6地址是正常的原始數(shù)據(jù),存儲在硬件斷點地址,完全符合預(yù)期。

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4.3 IAR+JLINK使用2個硬件斷點+2個軟件斷點:

可以看到,line36,line40被強(qiáng)行設(shè)置為硬件斷點,line38被設(shè)置為軟件斷點,main斷點也自動被分配為了軟件斷點,對比0x1F98, 0x1F9A, 0x1FA2, 0x1FA6地址的內(nèi)容,只有0x1F98,0x1FA2兩個軟件斷點地址處的內(nèi)容被修改為了0xBE00,即插入BKPT指令。0x1F9A和0x1FA6兩個硬件地址的內(nèi)容沒有被修改,再次證明軟件斷點對于在Flash調(diào)試的控制器,本質(zhì)上就是Flash斷點。

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4.4 IAR+JLINK 使用6個軟件斷點+1個硬件斷點:

因為IAR中默認(rèn)優(yōu)先使用硬件斷點,而當(dāng)前debug中設(shè)置了6個軟件斷點,所以main出的斷點被自動分配為硬件斷點??梢钥吹剑?個軟件斷點對應(yīng)地址區(qū)域的值都被修改為了0xBE00,也就是前文提到的軟件斷點其實也變成了Flash斷點,main地址處內(nèi)容沒有發(fā)生變化,符合預(yù)期。

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5. 如何預(yù)防Flash斷點帶來的潛在風(fēng)險

對于硬件斷點和數(shù)據(jù)斷點來說,他們是基于寄存器的實現(xiàn),脫離Debug狀態(tài)無法繼續(xù)生效,不會影響用戶代碼的脫機(jī)運行。但是Flash斷點因為牽涉到修改非易失的Flash數(shù)據(jù),就有風(fēng)險導(dǎo)致程序意外被修改無法運行,譬如說突然斷電,不合理退出debug狀態(tài)等。

而且對于該類問題,如果斷點斷在main函數(shù)的主任務(wù)上還容易觀察到,因為代碼很直觀的無法運行,而如果斷在了某個不常調(diào)用的但又會用到的子任務(wù)的某個switch case中,就容易埋下隱蔽的bug(本案例遇到的就是這個狀況)。還一種情況是實車現(xiàn)場分析過程中,常用的一種方式就是Attach觀察分析問題,如果使用到Flash斷點(尤其是Flash運行的軟件斷點),且退出時沒注意清除該類型斷點,可能會帶來新的潛在問題。

設(shè)置完Flash斷點,對于突然斷電這種方式,自然是無解的,只能重新下載代碼。而在debug狀態(tài)時如何退出才是最優(yōu)雅的方式(還原原本Flash內(nèi)容)呢?筆者使用IAR+JLINK在KW38 demo板上上做了一系列測試,結(jié)論如下;

1 使用6個軟件斷點+突然斷電+上電重啟: 無法運行
2 使用6個軟件斷點+IDE中正常stop debug后+上電重啟: 無法運行
3 使用6個軟件斷點+在breakpoint窗口中Disable 所有Flash斷點+上電重啟: 無法運行
4 使用6個軟件斷點+在breakpoint窗口中Disable 所有Flash斷點+執(zhí)行一次SW reset+上電重啟: 正常運行
5 IAR+JLINK+KW38 使用6個軟件斷點+在breakpoint串口中Delete所有Flash斷點+上電重啟 正常運行
序號 測試條件(此處軟件斷點使用的是Flash斷點) 運行結(jié)果

總的來說,為了避免Flash斷點帶來的Flash修改后沒有恢復(fù)的問題,需要在退出Debug模式時,先delete掉所有斷點,再去stop debug,或者先在在breakpoint窗口中Disable 所有Flash斷點后,再debug狀態(tài)下執(zhí)行一次SW reset,讓Flash恢復(fù)回來,前者的缺點是下次debug時原來的斷點都丟失了,需要重新設(shè)置,優(yōu)點是更徹底。

6. 結(jié)論:

基于以上分析可以得出幾個結(jié)論:

Flash斷點是會修改到Flash內(nèi)容的,而且IDE和匯編中是體現(xiàn)不出該變化的,比較隱蔽;

Flash斷點導(dǎo)致Flash內(nèi)容修改后未恢復(fù)的問題需要尤其重視,需要在退出debug前按章節(jié)5的兩種辦法加以處理;

軟件斷點對于非RAM中調(diào)試來說,IAR配合Jlink使用時本質(zhì)上也是Flash斷點;

不是所有的調(diào)試器都支持Flash斷點,當(dāng)設(shè)置的斷點個數(shù)超過硬件斷點個數(shù),就會提示無法設(shè)置新的斷點,例如CMSIS DAP; 硬件斷點的支持個數(shù)有限,會在調(diào)試時默認(rèn)采用,超過硬件斷點個數(shù)后的斷點JLINK默認(rèn)會采用Flash斷點, IJET提示超過上限,需要選擇Flash斷點,斷點小紅點標(biāo)志帶有F標(biāo)志;

IAR+JLINK中JLINK支持Flash斷點是JLINK仿真器和其驅(qū)動的支持,IAR+IJET支持Flash斷點是IAR工具+I-JET硬件的支持,和IAR+JLINK的區(qū)別是其可以直接設(shè)置Flash類型斷點;

如果是Flash斷點打在了主函數(shù)導(dǎo)致重啟后代碼無法運行倒容易排查,如果是不小心打在了某個不常調(diào)用的子函數(shù)分支上,而功能測試時覆蓋度如果不夠,就可能導(dǎo)致埋下一個潛在的隱患;

審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:顛覆你對ARM Cortex-M斷點認(rèn)知

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    mcookie與單片機(jī)的關(guān)系_使用<b class='flag-5'>ARM</b> <b class='flag-5'>Cortex-M</b> MCU拓展單片機(jī)教學(xué)

    分析ARM Cortex-M內(nèi)核復(fù)位啟動過程

    ARM Cortex-M內(nèi)核的復(fù)位啟動過程也被稱為復(fù)位序列(Reset sequence),下面就來簡要總結(jié)分析下這一過程。
    的頭像 發(fā)表于 03-20 09:58 ?3146次閱讀