鸿蒙轻内核M核源码分析系列十七（3）异常信息ExcInfo

本文中所涉及的源码，以OpenHarmony LiteOS-M内核为例，均可以在开源站点 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 获取。鸿蒙轻内核异常钩子模块代码主要在components\exchook目录下。

1、异常信息的宏定义、枚举和结构体

在文件components\exchook\los_exc_info.h定义了异常信息的相关宏定义、枚举和结构体。如下所示的宏定义为各种异常信息的大小，可以参考下面的异常信息存储区域分布图进行直观的理解，前4字节保存异常信息存储区域的大小，然后分别是异常上下文、任务、队列，中断寄存器，任务切换，内存分配情况的数据信息，最后4字节保存的是异常类型的最大值。

异常上下文存储区域的详细分布如下图所示，保存异常信息类型和信息大小，然后分别存储ExcInfo和上下文信息。其他异常信息类似，不再提供。

#define INFO_TYPE_AND_SIZE      8

#define MAX_SCENE_INFO_SIZE     (INFO_TYPE_AND_SIZE + sizeof(ExcInfo) + sizeof(EXC_CONTEXT_S))
#define MAX_TSK_INFO_SIZE       (INFO_TYPE_AND_SIZE + sizeof(TSK_INFO_S) * (LOSCFG_BASE_CORE_TSK_LIMIT + 1))

#if (LOSCFG_BASE_IPC_QUEUE == 1)
#define MAX_QUEUE_INFO_SIZE     (INFO_TYPE_AND_SIZE + sizeof(QUEUE_INFO_S) * LOSCFG_BASE_IPC_QUEUE_LIMIT)
#else
#define MAX_QUEUE_INFO_SIZE     (0)
#endif

#if (LOSCFG_BASE_CORE_EXC_TSK_SWITCH == 1)
#define MAX_SWITCH_INFO_SIZE    (INFO_TYPE_AND_SIZE + (sizeof(UINT32) + sizeof(CHAR) * LOS_TASK_NAMELEN) * OS_TASK_SWITCH_INFO_COUNT)
#else
#define MAX_SWITCH_INFO_SIZE    (0)
#endif

#define MAX_MEM_INFO_SIZE       (INFO_TYPE_AND_SIZE + sizeof(MemInfoCB) * OS_SYS_MEM_NUM)
#define MAX_EXC_MEM_SIZE        (INFO_TYPE_AND_SIZE + MAX_SCENE_INFO_SIZE + MAX_TSK_INFO_SIZE + MAX_QUEUE_INFO_SIZE + MAX_INT_INFO_SIZE + MAX_SWITCH_INFO_SIZE + MAX_MEM_INFO_SIZE)

从文件中定义的枚举，支持的异常信息类型包含上下文、任务、对外、中断寄存器、任务切换和内存分配信息。枚举定义如下：

typedef enum {
    OS_EXC_TYPE_CONTEXT     = 0,
    OS_EXC_TYPE_TSK         = 1,
    OS_EXC_TYPE_QUE         = 2,
    OS_EXC_TYPE_NVIC        = 3,
    OS_EXC_TYPE_TSK_SWITCH  = 4,
    OS_EXC_TYPE_MEM         = 5,
    OS_EXC_TYPE_MAX         = 6
} ExcInfoType;

2、异常信息初始化

在文件kernel\src\los_init.c中的函数UINT32 LOS_KernelInit(VOID)内会调用OsExcMsgDumpInit()函数进行初始化，代码片段如下。该初始化代码被宏LOSCFG_PLATFORM_EXC包围，需要开启该宏才能生效。

#if (LOSCFG_PLATFORM_EXC == 1)
    OsExcMsgDumpInit();
#endif

在分析函数OsExcMsgDumpInit代码之前，我们先看下函数OsExcRegister的代码。函数比较简单，⑴处的g_excArray[]异常信息转储函数数组，支持发生异常时调用这些函数存储任务、内存、中断寄存器等信息，⑵处标记异常信息转储函数是否有效，每个类型的异常信息转储函数只能设置一次。

VOID OsExcRegister(ExcInfoType type, EXC_INFO_SAVE_CALLBACK func, VOID *arg)
{
    ExcInfoArray *excInfo = NULL;
    if ((type >= OS_EXC_TYPE_MAX) || (func == NULL)) {
        PRINT_ERR("HalExcRegister ERROR!\n");
        return;
    }
⑴  excInfo = &(g_excArray[type]);
    if (excInfo->valid == TRUE) {
        return;
    }

    excInfo->type = type;
    excInfo->fnExcInfoCb = func;
    excInfo->arg = arg;
⑵  excInfo->valid = TRUE;
}

函数OsExcMsgDumpInit代码定义在components\exchook\los_exc_info.c，代码如下所示。⑴处的OS_SYS_MEM_NUM来自kernel\include\los_config.h配置文件，在记录内存信息时，会记录每个内存块内存节点的信息，该配置数值表示可以记录的内存块内存节点的数量。

⑵处的g_excMsgArray是个字节数组用于存储异常信息，g_excContent是执行字节数组的指针，存储异常信息时该指针不断指向字节数组的后面的位置。⑶处开始的代码调用OsExcRegister()函数分别设置上下文、任务、队列、中断、任务切换、内存等异常信息转储函数。具体的异常信息转储函数在后文分析。⑷处代码为中断异常类型注册异常钩子函数OsExcMsgDump()。

VOID OsExcMsgDumpInit(VOID)
{
    g_excQueueMaxNum = LOSCFG_BASE_IPC_QUEUE_LIMIT;
⑴  g_excMemMaxNum = OS_SYS_MEM_NUM;
⑵  g_excContent = (VOID *)g_excMsgArray;

⑶  OsExcRegister(OS_EXC_TYPE_CONTEXT, OsExcContentGet, NULL);
    OsExcRegister(OS_EXC_TYPE_TSK, OsExcTaskMsgGet, &g_taskMaxNum);
#if (LOSCFG_BASE_IPC_QUEUE == 1)
    OsExcRegister(OS_EXC_TYPE_QUE, OsExcQueueMsgGet, &g_excQueueMaxNum);
#endif
    OsExcRegister(OS_EXC_TYPE_NVIC, OsExcSaveIntStatus, NULL);
#if (LOSCFG_BASE_CORE_EXC_TSK_SWITCH == 1)
    OsExcRegister(OS_EXC_TYPE_TSK_SWITCH, OsExcTskSwitchMsgGet, &g_taskSwitchInfo);
#endif
    OsExcRegister(OS_EXC_TYPE_MEM, OsExcMemMsgGet, &g_excMemMaxNum);

⑷  (VOID)LOS_RegExcHook(EXC_INTERRUPT, (ExcHookFn)OsExcMsgDump);
}

3、中断异常钩子函数OsExcMsgDump

函数OsExcMsgDump()是注册的对应中断异常类型的异常钩子函数。当发生中断异常时，会执行该函数转储异常信息到g_excMsgArray数组，转储前执行⑴把该内存区域初始化为0xFF。⑵处把转储区的前4个字节存储异常信息的大小，然后g_excContent指针往后移动4个字节。然后遍历g_excArray[]异常信息转储函数数组循环执行，会依次都各类信息转储到g_excMsgArray数组。转储信息后执行⑷把指定区域设置异常信息类型的最大值，然后g_excContent指针往后移动4个字节。

STATIC VOID OsExcMsgDump(VOID)
{
    UINT32 index;

    /* Ignore the return code when matching CSEC rule 6.6(4). */
⑴  (VOID)memset_s(g_excMsgArray, g_excArraySize, EXC_MSG_ARRAY_INIT_VALUE, g_excArraySize);

⑵  *((UINT32 *)g_excContent) = MAX_EXC_MEM_SIZE;  /* The total length of exception information. */
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + sizeof(UINT32);

    for (index = 0; index < OS_EXC_TYPE_MAX; index++) {
        if (!g_excArray[index].valid) {
            continue;
        }
⑶      g_excArray[index].fnExcInfoCb(g_excArray[index].type, g_excArray[index].arg);
    }

⑷  *((UINT32 *)g_excContent) = OS_EXC_TYPE_MAX;
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + sizeof(UINT32);
    return;
}

4、支持的异常信息转储函数

从枚举类型ExcInfoType，可以得知支持转储的异常信息有6类，对应的转储函数在VOID OsExcMsgDumpInit(VOID)函数中进行注册。我们挑2个简单看下这些转储函数是如何工作。

4.1 OsExcContentGet上下文转储

上下文转储是第一块要转储的信息，保存异常上下文信息。⑴处获取存储区域的结束地址。⑵处存储异常信息类型，然后g_excContent指针往后移动4个字节。⑶处存储信息大小，然后g_excContent指针往后移动4个字节。⑷处把g_excInfo异常信息复制到存储区域当前指向的位置，其中excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent用于保证复制不会越界溢出，然后继续后移指针。⑸处转储上下文信息，然后继续后移指针，完成上下文信息转储。

STATIC UINT32 OsExcContentGet(UINT32 type, VOID *arg)
{
⑴  UINTPTR excContentEnd = MAX_EXC_MEM_SIZE + (UINTPTR)g_excMsgArray;
    errno_t ret;

    (VOID)arg;

    /* save exception info */
⑵  *((UINT32 *)g_excContent) = type;
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + sizeof(UINT32);
⑶  *((UINT32 *)g_excContent) = sizeof(ExcInfo) + sizeof(EXC_CONTEXT_S);
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + sizeof(UINT32);

⑷  ret = memcpy_s((VOID *)g_excContent, excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent,
                   (VOID *)&g_excInfo, sizeof(ExcInfo));
    if (ret != EOK) {
        return LOS_NOK;
    }
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + sizeof(ExcInfo);

⑸  ret = memcpy_s((VOID *)g_excContent, excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent,
                   g_excInfo.context, sizeof(EXC_CONTEXT_S));
    if (ret != EOK) {
        return LOS_NOK;
    }
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + sizeof(EXC_CONTEXT_S);

    return LOS_OK;
}

4.2 OsExcSaveIntStatus中断寄存器信息转储

OsExcSaveIntStatus()函数用于转储中断寄存器的数据，⑴、⑵和⑶和其他转储函数类似，分别是获取存储区域的结束地址，设置类型和大小信息，并后移g_excContent指针。⑷处的OS_NVIC_SETENA_BASE定义在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_arch_interrupt.h，是Interrupt enable register中断使能寄存器的地址，它的大小由OS_NVIC_INT_ENABLE_SIZE定义。后续的代码分别转储其他中断寄存器，比如Interrupt Set-Pending Registers中断设置请求寄存器的地址OS_NVIC_SETPEND_BASE、Interrupt Active Bit Register中断活跃寄存器的地址OS_NVIC_INT_ACT_BASE、Interrupt Priority Register中断优先级寄存器的地址OS_NVIC_PRI_BASE，这些中断寄存器可以查看官网了解更多。

⑸处的代码是System Handler Priority Register系统处理优先级寄存器的地址OS_NVIC_EXCPRI_BASE，⑹处是System Handler Control and State Register系统处理控制和状态寄存器的地址OS_NVIC_SHCSR、⑺处是Interrupt Control and State Register中断控制和状态寄存器的地址OS_NVIC_INT_CTRL，有关这些寄存器的信息可以访问官网https://developer.arm.com/documentation/ddi0489/f/system-control/register-summary。

STATIC UINT32 OsExcSaveIntStatus(UINT32 type, VOID *arg)
{
    UINT32 ret;
⑴  UINTPTR excContentEnd = (UINTPTR)MAX_INT_INFO_SIZE + (UINTPTR)g_excContent;

    (VOID)arg;

⑵  *((UINT32 *)g_excContent) = type;
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + sizeof(UINT32);

⑶  *((UINT32 *)g_excContent) = EXC_INT_STATUS_LEN;
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + sizeof(UINT32);
    /* save IRQ ENABLE reg group */
⑷  ret = memcpy_s(g_excContent, excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent,
                   (const VOID *)OS_NVIC_SETENA_BASE, OS_NVIC_INT_ENABLE_SIZE);
    if (ret != EOK) {
        return LOS_NOK;
    }
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + OS_NVIC_INT_ENABLE_SIZE;

    /* save IRQ PEND reg group */
    ret = memcpy_s(g_excContent, excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent,
                   (const VOID *)OS_NVIC_SETPEND_BASE, OS_NVIC_INT_PEND_SIZE);
    if (ret != EOK) {
        return LOS_NOK;
    }
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + OS_NVIC_INT_PEND_SIZE;

    /* save IRQ ACTIVE reg group */
    ret = memcpy_s(g_excContent, excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent,
                   (const VOID *)OS_NVIC_INT_ACT_BASE, OS_NVIC_INT_ACT_SIZE);
    if (ret != EOK) {
        return LOS_NOK;
    }
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + OS_NVIC_INT_ACT_SIZE;

    /* save IRQ Priority reg group */
    ret = memcpy_s(g_excContent, excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent,
                   (const VOID *)OS_NVIC_PRI_BASE, OS_NVIC_INT_PRI_SIZE);
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + OS_NVIC_INT_PRI_SIZE;

    /* save Exception Priority reg group */
⑸  ret = memcpy_s(g_excContent, excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent,
                   (const VOID *)OS_NVIC_EXCPRI_BASE, OS_NVIC_EXCPRI_SIZE);
    if (ret != EOK) {
        return LOS_NOK;
    }
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + OS_NVIC_EXCPRI_SIZE;

    /* save IRQ Handler & SHCSR */
⑹  ret = memcpy_s(g_excContent, excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent,
                   (const VOID *)OS_NVIC_SHCSR, OS_NVIC_SHCSR_SIZE);
    if (ret != EOK) {
        return LOS_NOK;
    }
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + OS_NVIC_SHCSR_SIZE;

    /* save IRQ Control & ICSR */
⑺  ret = memcpy_s(g_excContent, excContentEnd - (UINTPTR)g_excContent,
                   (const VOID *)OS_NVIC_INT_CTRL, OS_NVIC_INT_CTRL_SIZE);
    if (ret != EOK) {
        return LOS_NOK;
    }
    g_excContent = (UINT8 *)g_excContent + OS_NVIC_INT_CTRL_SIZE;

    return LOS_OK;
}