嵌入式軟件堆棧溢出的動態(tài)檢測方案設(shè)計*

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(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，濟南 250353；2.山東省科學(xué)院自動化研究所；3.山東省汽車電子技術(shù)重點實驗室)

引 言

面向特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)一般會根據(jù)實際需求選擇規(guī)格適中的MCU，采用C語言進行軟件開發(fā)。在MCU的地址空間中，RAM是一段連續(xù)分配的線性空間，全局變量、堆(Heap)、堆棧(Stack)都分配在這段有限的線性空間內(nèi)，根據(jù)實際需要，還可能把FLASH中一段代碼重定位到一段RAM空間內(nèi)運行，以加快程序運行速度[1]，提高系統(tǒng)實時性。

由于RAM資源有限，不可能為堆棧分配太大的尺寸，而且，作為一種靈活性很強的高級編程語言，C語言采用線性尋址方式訪問RAM空間，堆棧溢出時會繼續(xù)訪問臨近堆棧的RAM空間。堆棧尺寸設(shè)置過小、局部變量尺寸定義過大、中斷優(yōu)先級設(shè)置不合理、中斷服務(wù)程序過長導(dǎo)致中斷嵌套、遞歸調(diào)用、函數(shù)調(diào)用層次過深等程序設(shè)計不當(dāng)之處都可能導(dǎo)致堆棧溢出，改變臨近堆棧的RAM空間中的內(nèi)容，從而造成程序運行異常[2]，發(fā)生故障甚至導(dǎo)致重大事故。

1 方案設(shè)計

通過靜態(tài)分析方式確定堆棧空間的尺寸時，需要根據(jù)源程序中每個函數(shù)的局部變量大小確定每個函數(shù)的堆棧使用量[3]，然后根據(jù)編譯器生成的函數(shù)調(diào)用列表為每個函數(shù)建立調(diào)用樹，檢查每棵調(diào)用樹，確定從樹根到樹葉的調(diào)用路徑的堆棧使用量，從中選出最大堆棧使用量，同時，還要仔細分析系統(tǒng)用到的所有中斷，確定中斷服務(wù)程序的堆棧使用量。但是，無法得知C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)以及大值整數(shù)的乘除、浮點運算等對應(yīng)的運行庫函數(shù)的堆棧使用量，這種靜態(tài)分析方式對開發(fā)者的技術(shù)水平、對產(chǎn)品代碼的理解程度要求非常高，得到的數(shù)據(jù)并不完善，而且這種方式依賴于具體的應(yīng)用和源程序?qū)崿F(xiàn)方式，缺乏通用性。

本文設(shè)計了一種檢測嵌入式軟件堆棧溢出及使用量的方案[4]，在不影響系統(tǒng)正常運行的情況下，在不受堆棧溢出影響的定時器中斷服務(wù)程序中，周期檢測堆棧使用量，通過控制LED提示堆棧溢出情況。設(shè)置了堆棧溢出緩沖區(qū)，隔離堆棧和全局變量分區(qū)，堆棧溢出后部分上下文信息被存放在堆棧溢出緩沖區(qū)中，將最大堆棧使用量和系統(tǒng)發(fā)生堆棧溢出后的堆棧溢出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存入非易失性存儲器。系統(tǒng)在實際環(huán)境中運行一段時間后，通過查看LED狀態(tài)以及讀取非易失性存儲器中的數(shù)據(jù)，便可以判斷堆棧使用情況，通過保存的溢出上下文數(shù)據(jù)可以分析程序異常位置，從而調(diào)整堆棧尺寸或者調(diào)整程序設(shè)計，以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2 軟件設(shè)計

2.1 RAM空間劃分

堆棧的生長方向為自上而下，即向著RAM地址減小的方向增長。如果把堆棧空間設(shè)置在RAM的底部，堆棧溢出時會訪問不存在的RAM空間，造成代碼跑飛，這時無法得到溢出時的上下文數(shù)據(jù)，也無法對后續(xù)的程序修改提供有用信息，所以，在劃分RAM空間時，需要將堆棧空間設(shè)置在RAM空間的頂部。在鏈接文件中，按照從頂部到底部的順序，將RAM空間劃分為堆棧區(qū)、堆棧溢出緩沖區(qū)和全局變量區(qū)，根據(jù)需要和MCU RAM空間尺寸，還可能設(shè)置有代碼重定位區(qū)[5]。具體劃分如圖1所示。

圖1 RAM空間劃分圖

在RAM頂部設(shè)置大小為STACK_SIZE的堆棧區(qū)，STACK_SIZE根據(jù)實際應(yīng)用設(shè)置，留有一定的余量，同時受限于RAM資源，STACK_SIZE不能設(shè)置過大，棧底為堆棧區(qū)的最大地址，記為STACK_BOTTOM，設(shè)置為MCU RAM空間的最大地址；緊鄰堆棧區(qū)，設(shè)置尺寸為100字節(jié)大小的堆棧溢出緩沖區(qū)；緊鄰堆棧溢出緩沖區(qū)，設(shè)置尺寸為APP_RAM_SIZE的全局變量區(qū)，MCU的RAM尺寸記為RAM_SIZE。STACK_SIZE、APP_RAM_SIZE和RAM_SIZE的關(guān)系為：RAM_SIZE≥STACK_SIZE+100+APP_RAM_SIZE。

2.2 堆棧溢出緩沖區(qū)

堆棧溢出緩沖區(qū)位于堆棧和全局變量區(qū)之間，可以起到隔離堆棧和全局變量區(qū)的作用，當(dāng)堆棧溢出時，如果溢出深度小于堆棧溢出緩沖區(qū)的尺寸，則不會影響全局變量，全局變量的變化也不會改變堆棧內(nèi)容。

在堆棧溢出緩沖區(qū)中定義一個包含100個單字節(jié)元素的數(shù)組，記為Stack_overflow_buf[100]，堆棧溢出時，該數(shù)組會存放一部分上下文數(shù)據(jù)，為后續(xù)的程序分析提供關(guān)鍵信息。

2.3 堆棧溢出檢測算法

系統(tǒng)運行期間，堆棧操作會改變堆棧區(qū)數(shù)據(jù)，堆棧溢出會改變Stack_overflow_buf數(shù)據(jù)，通過檢查堆棧區(qū)數(shù)據(jù)和Stack_overflow_buf，便可以得知系統(tǒng)對堆棧的實際消耗。堆棧溢出可能會改變程序計數(shù)器的數(shù)值，如果把堆棧檢測函數(shù)放在中斷服務(wù)程序之外的其它位置，程序可能無法運行堆棧檢測函數(shù)，而即使發(fā)生了堆棧溢出，中斷也會觸發(fā)MCU進入中斷服務(wù)程序，因此，將堆棧檢測函數(shù)放在定時器中斷服務(wù)程序中。

MCU上電初始化時，將堆棧指針SP初始化為STACK_BOTTOM，堆棧區(qū)數(shù)據(jù)和數(shù)組Stack_overflow_buf全部初始化為0x55，最大堆棧使用量記為Stack_size_max，初始化為0，然后開啟一個周期為50 ms的定時器。在定時器中斷服務(wù)程序中，讀取堆棧溢出緩沖區(qū)和堆棧區(qū)的數(shù)據(jù)，判斷堆棧使用情況。

具體方法為：

讀取次數(shù)記為Read_times，初始化為0，以堆棧溢出緩沖區(qū)初始地址為首地址，以堆棧棧底為末地址，循環(huán)讀取各個RAM地址上的數(shù)據(jù)，如果讀取到的數(shù)據(jù)等于0x55，讀取地址加1，讀取次數(shù)加1，如果讀取到的數(shù)據(jù)不等于0x55，跳出RAM讀取循環(huán)。

根據(jù)當(dāng)前最大堆棧使用量=STACK_SIZE+100-Read_times，如果當(dāng)前最大堆棧使用量大于Stack_size_max，將當(dāng)前最大堆棧使用量賦值給Stack_size_max，存入非易失性存儲器，如果Stack_size_max小于或等于STACK_SIZE，不再進行處理，等待下一次定時中斷。否則，判斷為堆棧溢出，將數(shù)組Stack_overflow_buf的數(shù)據(jù)作為溢出上下文，存入非易失性存儲器；進一步根據(jù)Stack_size_max判斷是深度溢出還是淺度溢出，如果Stack_size_max小于(STACK_ZIZE + 100)，此時的堆棧溢出不會影響全局變量區(qū)，不會造成系統(tǒng)運行異常，從而點亮LED進行提示。如果Stack_size_max等于(STACK_ZIZE + 100)，此時的堆棧溢出會影響全局變量區(qū)，造成系統(tǒng)運行異常，閃爍LED燈進行提示。此時，通過專用設(shè)備可以讀取存儲在非易失性存儲器中的最大堆棧使用量和Stack_overflow_buf。根據(jù)Stack_overflow_buf數(shù)據(jù)判斷堆棧溢出位置，修改程序設(shè)計或者增加堆棧空間的大小。 堆棧溢出檢測算法流程圖如圖2所示。(說明：定時器中斷判斷分支的“N”分支與本文內(nèi)容無關(guān)，所以未列出。)

圖2 堆棧溢出檢測算法流程圖

結(jié) 語

[1] 高源,羅秋鳳.基于DSP28335程序移植方法的研究與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2013,36(3):84-88.

[2] 北京空間飛行器總體設(shè)計部.一種適用于多任務(wù)軟件進程堆棧使用深度檢測的方法:中國,201610080939.2 [P].2016-2-14.

[3] 張西超,郭向英.一種用于分析MCS-51目標(biāo)碼堆棧深度的方法[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用,2010,36(2):47-50

[4] 山東省科學(xué)院自動化研究所.嵌入式軟件堆棧溢出檢測方法和裝置:中國,201710997905.5[P].2017-10-11.

[5] 山東省科學(xué)院自動化研究所.CAN報文濾波解析方法、系統(tǒng)及電子控制單元:中國,201710743658.5 [P].2017-8-25.

馬建輝(工程師)，研究方向為嵌入式與汽車電子。