UCOS III通过M3内核MPU模块实现任务栈溢出检测

只看该作者 · 2022-3-1 17:40

硬件环境： AC7811通用开发板 ATC-LINK
软件环境：keil 5.23

前段时间有客户提到AC7811怎么实现栈溢出检测，便想到使用MPU模块在栈顶设置一段禁用区，以在栈使用溢出时访问到禁用区，产生memory manage fault，从而进行下一步的处理。再便想到可以通过该功能来实现带操作系统的用户栈溢出检测功能。

MPU的配置：
MPU可以依据实际的使用情况灵活配置，我这里为了简便，便创建了8个任务，每个任务都使用512字节的栈空间，这样便于我配置MPU。

MPU的配置如下：

复制

    if ((MPU->TYPE & 0x800) == 0)   ///<do not support MPU

    {

        return;

    }

    

    MPU->CTRL = 0x04;  ///<enable backround region, disable MPU

    

    MPU->RNR = 0;   ///<select region 0 

    MPU->RBAR = 0x2000E000;

    MPU->RASR = 0x07000017;

    

    MPU->RNR = 1;   ///<select region 1

    MPU->RBAR = 0x2000E000;

    MPU->RASR = 0x03000017;

    

    MPU->CTRL |= 1;

    

    

    SCB->SHCSR |= 1 << 16;  ///<enable memory manage interrupt

通过sct文件将8个任务的栈空间都存放再0x2000E000开始的位置，这里配置了两个region，启用了背景region。region0 用于配置该区域为只读。region1配置该区域可读可写，两个region重叠，因此该区域最终是可读可写的。

任务切换：

复制

void  App_OS_TaskSwHook (void)

{

    if (OSTCBHighRdyPtr->ExtPtr != 0) 

    {

        MPU->RNR = 1;   ///<select region 0 

        MPU->RBAR = 0x2000E000;

        MPU->RASR = *((uint32_t *)OSTCBHighRdyPtr->ExtPtr);

        

    }        

}

进行任务切换时，在任务切换hook中，重新设置region1，主要为了修改子region。按内核手册的说法，一个region分为8个子region，可以通过SRD寄存器除能响应的子region。因此我们每要切换一个任务时，应该除能除此任务外的其他任务栈的写入权限。这里的配置参数我们通过OS提供的OSTCBHighRdyPtr->ExtPtr参数传入。

复制

static const uint32_t AppTask1Ext = 0x0300FD17;

static const uint32_t AppTask2Ext = 0x0300FB17;

static const uint32_t AppTask3Ext = 0x0300F717;

static const uint32_t AppTask4Ext = 0x0300EF17;

static const uint32_t AppTask5Ext = 0x0300DF17;

static const uint32_t AppTask6Ext = 0x0300BF17;

static const uint32_t AppTask7Ext = 0x03007F17;

该参数在创建任务的时候传入，每个任务只使能自己的子region，除能其他任务的子region。这样其他子region无效，对应的其他栈便适用region0的规则，变成了只读（这里设置只读是因为OS的STAT任务有对各任务栈使用情况进行统计，如果直接禁止访问会导致该任务无法运行）。
对于操作系统自带的任务，我们不纳入管理范围，通过OSTCBHighRdyPtr->ExtPtr的非零判断，可以排除操作系统自己的任务。
最后，在OS进行任务切换时，会同时使用到当前任务栈和就绪的最高优先级任务栈，为了解决此时同时使用两个栈的问题，我在这里暂时关闭了MPU：

复制

OS_CPU_PendSVHandler

    CPSID   I                                                   ; Prevent interruption during context switch

;add by jason for mpu

    LDR     R1, =0xE000ED94

    LDR     R0, =0x00000004

    STR     R0, [R1]

;end

    MRS     R0, PSP                                             ; PSP is process stack pointer

    CBZ     R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave                     ; Skip register save the first time



    SUBS    R0, R0, #0x20                                       ; Save remaining regs r4-11 on process stack

    STM     R0, {R4-R11}



    LDR     R1, =OSTCBCurPtr                                    ; OSTCBCurPtr->OSTCBStkPtr = SP;

    LDR     R1, [R1]

    STR     R0, [R1]                                            ; R0 is SP of process being switched out



                                                                ; At this point, entire context of process has been saved

OS_CPU_PendSVHandler_nosave

    PUSH    {R14}                                               ; Save LR exc_return value

    LDR     R0, =OSTaskSwHook                                   ; OSTaskSwHook();

    BLX     R0

    POP     {R14}



    LDR     R0, =OSPrioCur                                      ; OSPrioCur   = OSPrioHighRdy;

    LDR     R1, =OSPrioHighRdy

    LDRB    R2, [R1]

    STRB    R2, [R0]



    LDR     R0, =OSTCBCurPtr                                    ; OSTCBCurPtr = OSTCBHighRdyPtr;

    LDR     R1, =OSTCBHighRdyPtr

    LDR     R2, [R1]

    STR     R2, [R0]



    LDR     R0, [R2]                                            ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdyPtr->StkPtr;

    LDM     R0, {R4-R11}                                        ; Restore r4-11 from new process stack

    ADDS    R0, R0, #0x20

    MSR     PSP, R0                                             ; Load PSP with new process SP

    ORR     LR, LR, #0x04                                       ; Ensure exception return uses process stack

    CPSIE   I

;add by jason for mpu

    LDR     R1, =0xE000ED94

    LDR     R0, =0x00000005

    STR     R0, [R1]

;end    

    BX      LR                                                  ; Exception return will restore remaining context



    END

最后就是核心的异常处理了：

复制

void MemManage_Handler(void)

{

    OS_ERR      err;

    printf("%s is overflow\r\n", OSTCBCurPtr->NamePtr);

    OS_RdyListRemove(OSTCBCurPtr);

    OSTaskDel(OSTCBCurPtr, &err);

    OSSched();

    //while(1);

}

这里我在发生栈溢出后，移除并删除了当前任务，同时进行新的任务调度（这里对UCOS III的运行还不熟悉，所以这里使用上比较粗暴直接了，不确定是否会有其他问题）。

测试：
测试的方法也很简单，我在task2中申请了一个大于512字节的局部数组，然后对超过512字节后面的位置进行写入操作。此时的访问应当会落在其他任务的栈空间上，因为其他任务栈空间已经配置只读，所以会产生memmanage fault。

复制

static  void  AppTask2 (void *p_arg)

{

    OS_ERR      err;

    uint32_t testdata[130];  

    p_arg = p_arg;

    while(1)

    {

        printf("Task2\r\n"); 

        testdata[130] = testdata[130];

        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0,

                      OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,

                      &err);

    }

}

测试log输出如下：
似乎不需要额外的执行testdata[130] = testdata[130];因为printf打印函数运行的时候已经栈溢出了，所以printf函数一旦访问栈空间，就会产生memmanage fault。接着我们删除了task2.因此其他任务还可以照常执行。

复制

Creating Application Tasks...

Creating Application Events...

Task1

App Task2 is overflow

Task3

Task4

Task5

Task6

Task7

Task1

Task3

Task4

Task5

Task6

Task7

总结：这功能想了想感觉实际用途不是很大，但在设计之初，我们总会发生一些意外的栈溢出问题，在OS下会很难定位到具体是哪个任务哪个函数导致了栈溢出。这个方法或许会比较方便大家定位栈溢出问题？当然，这里面还有很多不成熟的地方，比如第一个任务发生溢出的话，溢出的位置小于0x2000E000，不在只读范围内，因此可能还需要在这个区域额外设置一个只读的临界区。

最后附上测试用的代码：

UCOSIII_sample.rar (2.37 MB)