基于VXWORKS跨平臺異常處理模塊的研究與實現

郭繼寧,于恩祥

（渤海大學，遼寧錦州，121000）

0 引言

在VxWorks下，使用系統本身提供的接口函數ExcConnect()來進行異常處理只對PowerPC系列處理器有效，對目前使用同樣廣泛的Intel80x86系列處理器和ARM系列處理器無法提供有效支持。本文主要針對目前VxWorks異常機制可移植性差的問題，提出一種及時準確并且與具體處理器類型無關的捕捉異常的方法。

1 VxWorks下異常分析與處理

在VxWorks下如果使用默認的異常處理機制，處理結束后：產生異常的任務將被懸掛，且該消息將被傳送到控制臺。可以看出，如果不對異常進行處理，使用默認的異常處理方法，對于一個系統來說往往是致命的。所以我們必須對系統默認的異常處理方法進行修改和完善。

可以將異常處理流程分為以下5個階段：

1)一個軟件錯誤發生。

2)錯誤的原因和性質被一個異常對象攜帶。

3)程序檢測這個異常對象，或者允許它的存在，或者由其主動上報。

4)檢測代碼決定如何處理異常。

5)異常處理完畢，恢復程序并繼續執行。

2 跨平臺異常處理模塊的實現

2.1 整體實現方案

本文設計的異常處理模塊采用鉤子函數的方式接收操作系統傳入的異常現場；在內存的保留區保存傳入參數，并釋放信號量以激活守護任務；守護任務保存未解析的現場信息；采用堆棧回溯和匹配函數序言的方式進行函數調用鏈分析，將結果保存到內存保留區；若存在外部存儲介質，則將解析后的現場和函數調用鏈分析結果寫入文件；對應用層提供鉤子函數以實現恢復策略支持。

異常處理模塊的整個流程主要由兩部分組成：異常處理初始化流程和異常鉤子函數流程。初始化流程主要包括初始化全局變量和掛接異常處理鉤子函數。異常處理的處理過程設計如圖2所示：

2.2 “堆棧分析”

異常處理過程中的關鍵是“堆棧分析”，即使用堆棧回溯的方法實現現場分析，該功能的實現也是異常處理的難點。現場分析與處理器類型密切相關，需針對不同系列處理器分別分析異常類型、現場信息、運行棧結構、函數的序言和尾聲等內容。下面以x86處理器為例進行說明。

2.2.1 運行時堆棧結構

Intel80x86手冊中把指令執行時由CPU控制器產生的同步中斷稱為異常。異常是由程序的錯誤產生，或者由操作系統內核必須處理的異常條件所產生。通常，編譯器產生的代碼中對堆棧的結構和使用存在一個約定，其中一個重要的概念是堆棧幀(Stack Frame)或稱為活動記錄(Active Record)。一個堆棧幀就是運行棧中的一個存儲塊，它按照一定的規則描述了當前函數的調用信息，一個棧框架對應一次函數調用。Intel80x86的運行棧結構如圖2所示：

圖2 x86運行棧

2.2.2 函數序言與尾聲的匹配

代碼段中，特征十分明顯的函數序言恰好位于函數入口處，所以只要在機器碼代碼段找到函數序言就獲得了其入口地址。對一個幀的分析需要一個搜索指針，初始值為現場PC或被調函數幀的返回地址ret[i]，指針沿代碼段向后(低地址)移動，直到匹配函數序言的第一條語句為止。這時該指針的值即為該函數的入口地址。因此，匹配到函數序言，就找到了函數的入口地址。函數的入口地址得到以后，通過VxWorks提供的函數symFindByValue()獲得函數名。前提是生成的系統映像中包括了系統符號表。

序言匹配的方法是：選擇一個位于代碼段中待分析的函數體內起點指針，向低地址方向移動該指針，直至找到函數序言為止。

2.3 異常拋出機制

異常拋出機制指的是：當用戶管理的數據結構出現嚴重錯誤時或用戶定義的全局變量失去一致時，用戶進程主動觸發一個事先給定的異常，然后由自定義的異常處理任務對該異常進行處理，并確定這個問題發生的進程位置。這種方案實現簡單，拋出的異常和硬件定義的異常采用同一套處理流程。異常拋出接口定義為：

其中，參數wEosExcNo為支撐統一定義的異常類型；dwFunc為拋出異常的處理函數。

3 結論

本文采用鉤子函數的方式接收操作系統傳入的異常現場，避免了對寄存器進行直接操作，從而實現了跨平臺獲取異常現場信息，使軟件異常處理的可移植性和健壯性大大增強。這種異常處理的設計具有很高的推廣和實用價值，目前已應用在航行數據記錄儀、列車運行監控記錄裝置的實時數據庫中。

圖1 異常處理的處理過程設計圖

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