基于嵌入式Linux的内核错误跟踪技术

随着嵌入式Linux系统的广泛应用，对系统的可靠性提出了更高的要求，尤其是涉及到生命财产等重要领域，要求系统达到安全完整性等级3级以上[1]，故障率（每小时出现危险故障的可能性）为10-7以下，相当于系统的平均故障间隔时间（MTBF）至少要达到1141年以上，因此提高系统可靠性已成为一项艰巨的任务。对某公司在工业领域14 878个控制器系统的应用调查表明，从2004年初到2007年9月底，随着硬软件的不断改进，根据错误报告统计的故障率已降低到2004年的五分之一以下，但查找错误的时间却增加到原来的3倍以上。 
    这种解决问题所需时间呈上升的趋势固然有软件问题，但缺乏必要的手段以辅助解决问题才是主要的原因。通过对故障的统计跟踪发现，难以解决的软件错误和从发现到解决耗时较长的软件错误都集中在操作系统的核心部分，这其中又有很大比例集中在驱动程序部分[2]。因此，错误跟踪技术被看成是提高系统安全完整性等级的一个重要措施[1]，大多数现代操作系统均为发展提供了操作系统内核“崩溃转储”机制，即在软件系统宕机时，将内存内容保存到磁盘[3]，或者通过网络发送到故障服务器[3]，或者直接启动内核调试器[4]等，以供事后分析改进。 
    基于Linux操作系统内核的崩溃转储机制近年来有以下几种： 
    (1) LKCD（Linux Kernel Crash Dump）机制[3]; 
    (2) KDUMP（Linux Kernel Dump）机制[4]； 
    (3) KDB机制[5]； 
    (4) KGDB机制[6]。 
    综合上述几种机制可以发现,这四种机制之间有以下三个共同点： 
    (1) 适用于为运算资源丰富、存储空间充足的应用场合； 
    (2) 发生系统崩溃后恢复时间无严格要求； 
    (3) 主要针对较通用的硬件平台，如X86平台。 
    在嵌入式应用场合想要直接使用上列机制中的某一种，却遇到以下三个难点无法解决： 
    (1) 存储空间不足 
    嵌入式系统一般采用Flash作为存储器，而Flash容量有限，且可能远远小于嵌入式系统中的内存容量。因此将全部内存内容保存到Flash不可行。 
    (2) 记录时间要求尽量短 
    嵌入式系统一般有复位响应时间尽量短的要求，有的嵌入式操作系统复位重启时间不超过2s，而上述几种可用于Linux系统的内核崩溃转储机制耗时均不可能在30s内。写Flash的操作也很耗时间，实验显示，写2MB数据到Flash耗时达到400ms之多。 
    (3) 要求能够支持特定的硬件平台 
    嵌入式系统的硬件多种多样，上面提到的四种机制均是针对X86平台提供了较好的支持，而对于其他体系的硬件支持均不成熟。 
    由于这些难点的存在，要将上述四种内核崩溃转储机制中的一种移植到特定的嵌入式应用平台是十分困难的。因此，针对上述嵌入式系统的三个特点，本文介绍一种基于特定平台的嵌入式Linux内核崩溃信息记录机制LCRT(Linux Crash Record and Trace)，为定位嵌入式Linux系统中软件故障和解决软件故障提供辅助手段。 
1 Linux内核崩溃的分析 
    分析Linux内核对于运行期间各种“陷阱”的处理可以得知，Linux内核对于应用程序导致的错误可以予以监控，在应用程序发生除零、内存访问越界、缓冲区溢出等错误时，Linux内核的异常处理例程可以对这些由应用程序引起的异常情况予以处理。当应用程序产生不可恢复的错误时，Linux内核可以仅仅终止产生错误的应用程序，其他应用程序仍然可以正常运行。 
    如果Linux内核本身或者新开发的Linux内核模块存在bug，产生了“除零”，“内存访问越界”、“缓冲区溢出”等错误，同样会由Linux内核的异常处理例程来处理。Linux内核通过在异常处理程序中判断，如果发现是“严重的不可恢复”的内核异常，则会导致“内核恐慌”（kernel panic），即Linux内核崩溃。图1所示为Linux内核对异常情况的处理流程。
2 LCRT机制的设计与实现 
    通过对Linux内核代码的分析可知，Linux内核本身提供了一种“内核通知机制”[7-8]，并预定义了“内核事件通知链”，使得Linux内核扩展开发人员可以通过这些预定义的内核事件通知链在特定的内核事件发生时执行附加的处理流程。通过对Linux内核源代码的研究发现，对于上文中提到的“严重不可恢复的内核异常”，预定义了一个通知链和通知点，使得在发生Linux内核崩溃之后，可以在Linux内核的panic函数中预定义的一个“内核崩溃通知链”[7]上挂接LCRT机制来获得Linux内核崩溃现场的一些信息并记录到非易失性存储器中，以便分析引起Linux内核崩溃的原因。 
2.1 设计要点 
    LCRT机制的设计和实现基于如下特定的机制： 
    (1) 编译器选项与内核依赖 
    Linux内核及相应的驱动程序都采用GNU[9]的开源编译器GCC[9]编译，为了结合LCRT机制方便地提取信息和记录信息，需要采用特定的GCC编译器选项来编译Linux内核和相关的驱动程序以及应用程序。用到的选项为：-mpoke-function-name[9]。使用这个选项编译出的二进制程序中可以包含C语言函数名称的信息，以方便函数调用链回溯时记录信息的可读性。 
    (2) Linux内核notify_chain机制[8] 
    Linux内核提供“通知链”功能，并预定义了一个内核崩溃通知链，在Linux内核的异常处理例程中判断出系统进入“不可恢复”状态时，会沿预定义的通知链顺序调用注册到相应链中的通知函数。 
    (3) 函数调用的栈布局 
    Linux内核的绝大部分由C语言实现，而且C语言也多用来进行Linux内核开发。Linux内核及使用LKM扩展而加入Linux内核执行环境的代码是有规律可循的，这些代码在执行过程中产生的栈布局和这些规律的代码相关联。例如，这些函数在执行函数之前会保存本函数调用后的返回地址、本函数被调用时传递过来的参数及调用本函数的函数所拥有的栈帧的栈底。 
2.2 LCRT机制的设计思想 
    LCRT机制分为Linux内核模块[8]部分和Linux用户程序部分。内核模块部分的设计采用了Linux内核模块的模式而不是直接修改Linux内核。这样的设计降低了Linux内核和LCRT机制之间的耦合度，同时满足了Linux内核和LCRT机制独立升级完善的便利性。用户程序部分完成从非易失性存储器中读取、清除LCRT机制保存的信息等相关功能。 
    在LCRT机制的设计中，针对嵌入式系统的特点，其设计决策有： 
   (1) 将对于解决和定位问题最具辅助意义的函数调用关系链记录下来。 
    (2) 为了不占用过多的存储空间，有选择性地将函数调用序列上的函数各自用到的栈内容保存起来，而不是保存全部内容。 
    (3) 将记录的信息保存到非易失性存储器中，这样既达到了掉电保存的目的、又缩短了写入时间。 
    LCRT机制的设计包括以下五个方面。 
    (1) 设计Linux内核模块、动态地加载LCRT机制、尽量少地修改Linux内核代码。 
    (2)在相应、预定义的Linux内核通知链上挂接LCRT的通知函数。 
    (3) 在LCRT机制的通知处理函数中进行堆栈回溯得到函数调用信息。 
    (4) 记录回溯到的函数调用信息和堆栈空间内容到非易失性存储器。 
    (5) 开发用户空间的工具，可以从非易失性存储器中读取保存的信息。 
2.3 LCRT机制的实现 
    LCRT机制的实现可参照2.2节的设计思想，分步予以实现。限于篇幅，本文不过多涉及Linux内核模块的原理和实现相关的细节，仅仅给出LCRT机制的内核模块实现伪代码。用伪代码描述LCRT机制的加载函数如下: 
    int lcrt_init(void)  
       { 
            printk("Registering my__panic notifier.n"); 
            bt_nvram_ptr=(volatile unsigned char*)ioremap_ 
nocache (BT_NVRAM_BASE,BT_NVRAM_LENGTH); 
            bt_nvram_index+=sizeof(struct bt_info); 
            *)bt_nvram_ptr,BT_NVRAM_LENGTH); 
           notifier_chain_register(&panic_notifier_list,&my_ 
            panic_block); 
            return 0; 
        } 
    LCRT机制的通知处理函数完成函数调用关系回溯、得到函数名称、函数栈内容等工作，限于篇幅，在这里用下面伪代码说明： 
    void ll_bt_information(struct pt_regs *pr) 
    { 
    变量定义等初始化工作 
    do  { 
        reglist=*(unsigned long *)(*myfp-8); 
        //从函数栈帧的顶部获取函数开始执行时保存的寄存器信息 
    　　//从函数的代码区中取得函数的名称 
        //从函数的栈帧里取出函数执行函数体代码之前保存的函数参数信息 
    　　//从本函数的栈帧中得到调用本函数的代码所在位置和调用本函数的函数栈帧的栈底 
    }while(直到函数调用链的链头); 
     　　　//取得函数调用栈帧的内容 
        //填充信息记录的记录头部 
        //将上面的循环中取得的信息保存到非易失性存储器中 
    write_to_nvram((void *)bt_nvram_ptr,&bt_record_header,sizeof(bt_info_t)); 
    } 
3 验证评估LCRT机制 
3.1 部署LCRT机制 
   部署LCRT机制，使LCRT机制发挥作用前需要做的相关工作有： 
    (1)针对目标Linux内核编译LCRT机制的Linux内核模块部分; 
    (2) 将LCRT机制的内核模块部分载入Linux内核。 
3.2 实验结果 
    为了实验LCRT机制的作用效果，构造一个会造成Linux内核崩溃的设备驱动模块，记这个内核驱动模块为bugguy.ko,列出如下所示的bugguy.ko中会引起Linux内核崩溃的代码如下所示: 
    irqreturn_t my_timer_interrupt(int irq,void *dev_id,struct pt_regs* regs) 
    { 
    确认硬件状态并清除中断状态 
    if(ujiffies > 5000) { 
        void * ill_pointer=NULL; 
    　　*(unsigned long *)ill_pointer=0; 
    } 
    else { 
        ujiffies++; 
　　    } 
　　    return IRQ_HANDLED; 
    } 
    说明：用黑体标出的代码即为产生bug的代码 
    在基于ARM的嵌入式Linux应用中，开发LCRT机制来记录系统内核发生崩溃时引起崩溃的函数调用链和栈信息到非易失性存储器中，截至目前为止，LCRT机制可以记录基于ARM的嵌入式Linux内核发生崩溃时的函数调用链信息，可直接得到函数名称、函数调用链中单个函数被调用时的参数信息以及函数调用链中的函数各自的栈帧信息。这些记录下来的信息对于完善和发展基于ARM的嵌入式Linux应用具有重要的辅助意义。