W ramach tego artyku\u0142u zwr\u00f3cimy wi\u0119ksz\u0105 uwag\u0119 na kwesti\u0119 kontekstu oraz jego wp\u0142ywu na zaj\u0119to\u015b\u0107 stosu w urz\u0105dzeniach wbudowanych.<\/p>\n\n\n\n
Stos, sterta, dane statyczne<\/h2>\n\n\n\n
Og\u00f3lnie, pami\u0119\u0107 RAM mo\u017cemy podzieli\u0107 na 3 zasadnicze obszary:<\/p>\n\n\n\n
- \n
- Stos (stack) \u2013 obszar, w kt\u00f3rym przechowywane s\u0105 wszystkie zmienne lokalne oraz odk\u0142adany jest kontekst przy wywo\u0142ywaniu funkcji lub przerwania. Stos zwykle umieszcza si\u0119 na ko\u0144cu pami\u0119ci RAM i ro\u015bnie on w kierunku malej\u0105cych adres\u00f3w, czyli graficznie w d\u00f3\u0142<\/li>\n\n\n\n
- Stert\u0119 (heap) \u2013 jest to obszar, do kt\u00f3rego trafiaj\u0105 wszystkie zmienne dynamicznie zaalokowane za pomoc\u0105 polecenia malloc()<\/em>. Od stosu oddziela go pas (ziemi) pami\u0119ci niczyjej<\/li>\n\n\n\n
- Obszar danych statycznych \u2013 po\u0142o\u017cony przy najni\u017cszych adresach RAM-u zawiera w sobie wszelkie dane globalne, przechowywane w naszym programie, np. wszystkie zmienne czy struktury globalne oraz zmienne statyczne.
S\u0142owem \u2013 wszystkie te warto\u015bci, kt\u00f3ra maj\u0105 przetrwa\u0107 mi\u0119dzy wywo\u0142aniami funkcji. Wielko\u015b\u0107 obszaru danych statycznych jest ustalana na etapie kompilacji i sta\u0142a przez ca\u0142y czas dzia\u0142ania programu.
Obszar ten dzieli si\u0119 dodatkowo na dwa podobszary: \n- \n
- .bss<\/li>\n\n\n\n
- .data\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
![\"Og\u00f3lnikowy](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/09\/Stos-702x1024.jpg\")
<\/a>Rys. 1 Og\u00f3lnikowy podzia\u0142 pami\u0119ci RAM na obszary<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n W dalszych rozwa\u017caniach skupimy si\u0119 g\u0142\u00f3wnie na stosie. Jest to bowiem ten obszar, kt\u00f3rego rozmiar potrafi zmienia\u0107 si\u0119 w szerokim zakresie i kt\u00f3ry mo\u017ce przysporzy\u0107 nieoczekiwanych problem\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n
Stos<\/h2>\n\n\n\n
Stos jest kolejk\u0105 typu LIFO (Last-In-First-Out)<\/strong>. Ostatni element od\u0142o\u017cony na stosie jest pierwszym elementem, kt\u00f3ry mo\u017cemy z tego stosu zdj\u0105\u0107. Odk\u0142adanie warto\u015bci na stosie przypomina uk\u0142adanie ksi\u0105\u017cek na stole, p\u0142asko jedna na drugiej. Pami\u0119taj\u0105c jednocze\u015bnie o kierunku, w kt\u00f3rym wspomniany ju\u017c stos ro\u015bnie, chyba powinni\u015bmy jednak por\u00f3wna\u0107 odk\u0142adanie na nim danych do pr\u00f3by od\u0142o\u017cenia ksi\u0105\u017cki na suficie.<\/p>\n\n\n\n
Zasadniczo na stos odk\u0142adamy dane \u017cyj\u0105ce kr\u00f3tko, przechowywane w pami\u0119ci na potrzeby tych kilku milisekund, kiedy wywo\u0142ywana jest konkretna funkcja, kt\u00f3ra dodatkowo wo\u0142a jeszcze jedn\u0105 b\u0105d\u017a kilka innych funkcji. Nad po\u0142o\u017ceniem wierzcho\u0142ka stosu czuwa dedykowany rejestr sprz\u0119towy (SFR) zwany wska\u017anikiem stosu<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n
![\"LIFO](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/09\/LIFO-1024x526.jpg\")
<\/a>Rys. 2 LIFO na przyk\u0142adzie graficznym<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n Wska\u017anik stosu<\/h2>\n\n\n\n
Wska\u017anik stosu przechowuje aktualny adres wierzcho\u0142ka stosu. Jest to wi\u0119c pierwszy adres, spod kt\u00f3rego nast\u0105pi odczyt ze stosu za po\u015brednictwem instrukcji pop<\/em>. Kolejny adres po adresie wska\u017anika stosu b\u0119dzie pierwszym, pod kt\u00f3ry wykonany zostanie zapis za po\u015brednictwem instrukcji push<\/em>.
Wska\u017anik stosu jest swoist\u0105 zak\u0142adk\u0105 w ksi\u0105\u017cce<\/strong> \u2013 pozwala m.in. na szybkie odszukanie kontekstu funkcji wo\u0142aj\u0105cej podczas powrotu z funkcji wo\u0142anej.<\/p>\n\n\n\n![\"Nieco](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/09\/SP-1024x425.jpg\")
<\/a>Rys. 3 Nieco przejaskrawiony wska\u017anik stosu<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n Kontekst i skok do funkcji<\/h2>\n\n\n\n
Wo\u0142aj\u0105c funkcj\u0119 z dowolnego miejsca w programie, \u0142adujemy argumenty do rejestr\u00f3w procesora b\u0105d\u017a wrzucamy je na stos. Nast\u0119pnie wykonujemy skok pod adres pocz\u0105tku wywo\u0142ywanej funkcji. Po wykonaniu okre\u015blonego przez wywo\u0142an\u0105 funkcj\u0119 zadania, programu musi powr\u00f3ci\u0107 do miejsca, z kt\u00f3rego nast\u0105pi\u0142 skok. Powinni\u015bmy wi\u0119c jako\u015b zapami\u0119ta\u0107 adres tego miejsca, aby p\u00f3\u017aniej \u0142atwo do niego wr\u00f3ci\u0107<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n
Sytuacja komplikuje si\u0119, je\u017celi wywo\u0142ana przez nas funkcja wywo\u0142a\u0142a kolejn\u0105, kolejna kolejn\u0105 i tak dalej. Na dobr\u0105 spraw\u0119, powinni\u015bmy zachowa\u0107 wszystkie adresy, spod kt\u00f3rych nast\u0105pi\u0142o wywo\u0142anie ka\u017cdej z funkcji we wspomnianym \u0142a\u0144cuchu. Dodatkowo, z ka\u017cd\u0105 funkcj\u0105 w chwili wywo\u0142ania kolejnej, zwi\u0105zany jest pewien stan programu lub procesora, reprezentowany przez zawarto\u015b\u0107 rejestr\u00f3w CPU.
Z chwil\u0105 powrotu z funkcji wo\u0142anej do funkcji wo\u0142aj\u0105cej powinni\u015bmy ten stan rejestr\u00f3w odtworzy\u0107.<\/p>\n\n\n\nI tutaj przychodzi nam z pomoc\u0105 wspomniany wcze\u015bniej stos. Na nim bowiem zachowujemy (odk\u0142adamy):<\/p>\n\n\n\n
- \n
- zawarto\u015b\u0107 rejestr\u00f3w og\u00f3lnego przeznaczenia<\/li>\n\n\n\n
- rejestr statusu (SR)<\/li>\n\n\n\n
- aktualn\u0105 warto\u015b\u0107 wska\u017anika stosu (SP)<\/li>\n\n\n\n
- aktualn\u0105 warto\u015b\u0107 licznika programu (PC)<\/li>\n\n\n\n
- wspomniany wcze\u015bniej adres powrotu (LR)<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
Wymienione wy\u017cej dane, zgrupowane w logiczn\u0105 struktur\u0119, nazywamy kontekstem<\/strong>. Jest on odk\u0142adany na stos w momencie wywo\u0142ania funkcji b\u0105d\u017a wywo\u0142ania procedury obs\u0142ugi przerwania.<\/p>\n\n\n\n
![\"Odk\u0142adanie](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/09\/Odk\u0142adanie-552x1024.jpg\")
<\/a>Rys. 4 Odk\u0142adanie kontekstu na stos przy okazji skoku do kolejnych funkcji<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n Kontekstowa pu\u0142apka<\/h2>\n\n\n\n
Mechanizm odk\u0142adania i \u015bci\u0105gania kontekstu ze stosu pozwoli\u0142 nam na \u0142atwe i uporz\u0105dkowane przeskakiwanie mi\u0119dzy kolejnymi funkcjami, zachowuj\u0105c i odtwarzaj\u0105c przy tym stan programu po ka\u017cdym skoku. Wszelkie istotne dane s\u0105 bowiem bezpiecznie zachowane na stosie i odtwarzane podczas powrot\u00f3w z kolejnych funkcji. Jednak wraz ze wzrostem skomplikowania naszego programu mo\u017cemy natkn\u0105\u0107 si\u0119 na szereg niespodzianek, kt\u00f3re zaowocuj\u0105 nieoczekiwanym resetem i nie b\u0119d\u0105 wcale \u0142atwe do odtworzenia i debugowania.<\/p>\n\n\n\n
Wywo\u0142anie g\u0142\u0119boko zagnie\u017cd\u017conych funkcji<\/h2>\n\n\n\n
Skoro ka\u017cde wywo\u0142anie funkcji powoduje od\u0142o\u017cenie na stosie \u2013 lekko licz\u0105c \u2013 o\u015bmiu rejestr\u00f3w (ilo\u015b\u0107 od\u0142o\u017conych rejestr\u00f3w r\u00f3\u017cni si\u0119 w zale\u017cno\u015bci od konkretnego rdzenia), to, zale\u017cnie od ich wielko\u015bci, pami\u0119\u0107 RAM zostanie uszczuplona o 8 do 32 bajt\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n
Je\u017celi wi\u0119c wywo\u0142ana przez nas funkcja wywo\u0142a kolejn\u0105, ta nast\u0119pn\u0105 i jeszcze kolejn\u0105 a\u017c do, powiedzmy, siedmiu razy, mo\u017ce si\u0119 okaza\u0107, \u017ce lekk\u0105 r\u0119k\u0105 \u201ewydali\u015bmy\u201d siedmiokrotno\u015b\u0107 wielko\u015bci kontekstu. Przy za\u0142o\u017ceniu, \u017ce pojedynczy rejestr ma 4 bajty, sumarycznie b\u0119d\u0105 to 224 bajty. I te 224 bajty zaj\u0119li\u015bmy (a mo\u017ce raczej zmarnowali\u015bmy?) jedynie na potrzeby zachowania kontekst\u00f3w poszczeg\u00f3lnych funkcji, nie przechowuj\u0105c przy tym \u017cadnych danych przetwarzanych przez nasz program.<\/p>\n\n\n\n
Je\u017celi szcz\u0119\u015bliwie mamy do czynienia z platform\u0105, dysponuj\u0105c\u0105 setkami kB, a nawet MB pami\u0119ci RAM, skutki utracenia 224 bajt\u00f3w b\u0119d\u0105 niezauwa\u017calne. Jednak w przypadku mikrokontrolera, dysponuj\u0105cego kilkunastoma kB pami\u0119ci RAM, nale\u017cy uwa\u017ca\u0107 na tego typu nieplanowane i cz\u0119sto niewidoczne go\u0142ym okiem \u201ewydatki\u201d.<\/p>\n\n\n\n
Wyobra\u017amy sobie bowiem sytuacj\u0119, w kt\u00f3rej wywo\u0142anie ci\u0105gu wielokrotnie zagnie\u017cd\u017conych funkcji zostanie wyw\u0142aszczone przez przerwanie sygnalizuj\u0105ce na przyk\u0142ad odebranie danej po interfejsie szeregowym. Wtedy na stos zostanie od\u0142o\u017cony kolejny kontekst. Je\u017celi dodatkowo (o zgrozo) wo\u0142amy z procedury obs\u0142ugi przerwania jeszcze kilka zagnie\u017cd\u017conych funkcji, w\u00f3wczas mo\u017ce doj\u015b\u0107 do nieoczekiwanego spotkania nadmiernie spuchni\u0119tego stosu ze stert\u0105. Sko\u0144czy\u0107 si\u0119 to mo\u017ce na wiele sposob\u00f3w:<\/p>\n\n\n\n
- \n
- nadpisaniem zawarto\u015bci sterty przez stos<\/li>\n\n\n\n
- wygenerowaniem wyj\u0105tku<\/li>\n\n\n\n
- resetem platformy<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
M\u00f3wi\u0105c obrazowo \u2013 program mo\u017ce \u201eniespodziewanie przewr\u00f3ci\u0107 si\u0119 na twarz\u201d natychmiast lub przy okazji kolejnej interakcji ze stert\u0105. Na dodatek b\u0119dzie to trudne do odtworzenia, gdy\u017c wymaga\u0107 b\u0119dzie pojawienia si\u0119 wspomnianego ju\u017c przerwania przy dok\u0142adnie identycznym wype\u0142nieniu stosu!<\/strong><\/p>\n\n\n\n
![\"Wizualizacja](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/09\/kontekstOdk\u0142adanie-1024x356.jpg\")
<\/a>Rys. 5 Wizualizacja przepe\u0142nienia stosu w momencie pojawienia si\u0119 przerwania<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n Z powy\u017cszego rysunku odczyta\u0107 mo\u017cemy:<\/p>\n\n\n\n
- \n
- lewa strona: wype\u0142nienie stosu praktycznie na styk, brak widocznych problem\u00f3w<\/li>\n\n\n\n
- prawa strona: przepe\u0142nienie stosu wywo\u0142anie przerwaniem, kt\u00f3re pojawi\u0142o si\u0119 nieszcz\u0119\u015bliwie akurat w momencie skrajnego wype\u0142nienia stosu<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
Wczesne wykrywanie problemu<\/h2>\n\n\n\n
W teorii monitorowanie ilo\u015bci zaj\u0119tej pami\u0119ci na stosie nie jest trudne. Na dobr\u0105 spraw\u0119 potrzebna jest do tego znajomo\u015b\u0107 3 element\u00f3w:<\/p>\n\n\n\n
- \n
- adresu pocz\u0105tku stosu<\/li>\n\n\n\n
- maksymalnego rozmiaru stosu<\/li>\n\n\n\n
- warto\u015bci aktualnego wska\u017anika stosu<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
Por\u00f3wnuj\u0105c adres pocz\u0105tku stosu do poziomu minimum i adres odpowiadaj\u0105cy maksymalnemu rozmiarowi stosu do poziomu maksimum, mo\u017cemy \u015bmia\u0142o powiedzie\u0107, \u017ce warto\u015b\u0107 wska\u017anika stosu powinna le\u017ce\u0107 pomi\u0119dzy nimi. Im bli\u017cej minimum tym lepiej.<\/p>\n\n\n\n
Jednak jest to zbyt du\u017ce uproszczenie problemu. Zaj\u0119to\u015b\u0107 stosu zmienia si\u0119 bowiem bardzo dynamicznie i obliczenie jego aktualnego u\u017cycia powie nam niewiele. Du\u017co bardziej powinna nas interesowa\u0107 maksymalna zaj\u0119to\u015b\u0107 stosu, czyli moment w kt\u00f3rym:<\/p>\n\n\n\n
- \n
- wywo\u0142ana jest najwi\u0119ksza ilo\u015b\u0107 zagnie\u017cd\u017conych funkcji<\/li>\n\n\n\n
- wszystkie funkcje od\u0142o\u017cy\u0142y ju\u017c na stos swoje zmienne lokalne<\/li>\n\n\n\n
- pojawi\u0142o si\u0119 najbardziej pami\u0119cio\u017cerne przerwanie<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
I dok\u0142adnie w tym momencie musimy odczyta\u0107 warto\u015b\u0107 wska\u017anika stosu.<\/strong> Prawda, \u017ce proste?<\/p>\n\n\n\n
Zamiast polowa\u0107 na ten moment, lepiej pos\u0142u\u017cy\u0107 si\u0119 jednym z kilku dost\u0119pnych sposob\u00f3w i mechanizm\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n
Zanim jednak do nich przejdziemy, podzielmy dost\u0119pny obszar stosu na trzy podobszary:<\/p>\n\n\n\n
- \n
- najwi\u0119kszy, kt\u00f3rego zaj\u0119cie uznajemy za normalne w trakcie dzia\u0142ania naszego programu<\/li>\n\n\n\n
- obszar marginesu bezpiecze\u0144stwa, w kt\u00f3rym oczekujemy ostrze\u017cenia o jego przekroczeniu, ale jednocze\u015bnie nie wymaga to z naszej strony \u017cadnej reakcji<\/li>\n\n\n\n
- obszar krytyczny, kt\u00f3rego zaj\u0119cie b\u0119dzie dla nas znakiem powa\u017cnych problem\u00f3w i wymagana jest z naszej strony niezw\u0142oczna reakcja\n<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
![\"Stos](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/09\/podzia\u0142-806x1024.jpg\")
<\/a>Rys. 6 Stos podzielony na podobszary: zwyk\u0142y, ostrzegawczy i alarmowy<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n Nale\u017cy zaznaczy\u0107, \u017ce czerwony alarm powinien zosta\u0107 podniesiony, zanim nast\u0105pi przepe\u0142nienie stosu. Fragment kodu obs\u0142uguj\u0105cy wygenerowane przerwanie lub funkcje obs\u0142uguj\u0105ce wspomniany alarm r\u00f3wnie\u017c potrzebuj\u0105 tych kilkunastu bajt\u00f3w stosu, aby si\u0119 poprawnie wykona\u0107. Z tego powodu alarmowanie w momencie, gdy zapisany zosta\u0142 ostatni wolny bajt stosu, jest alarmowaniem sp\u00f3\u017anionym.<\/strong><\/p>\n\n\n\n
MMU\/MPU<\/h2>\n\n\n\n
Rozbudowane platformy dysponuj\u0105 jednostk\u0105 zarz\u0105dzania lub ochrony pami\u0119ci (MMU\/MPU), w kt\u00f3rej mo\u017cemy okre\u015bli\u0107 obszary, pod kt\u00f3re zapis jest zabroniony. Upraszczaj\u0105c nieco \u2013 konfiguracja MMU\/MPU polega na podaniu trzech parametr\u00f3w dla pojedynczego, chronionego obszaru:<\/p>\n\n\n\n
- \n
- adres pocz\u0105tku<\/li>\n\n\n\n
- rozmiar<\/li>\n\n\n\n
- dozwolony typ dost\u0119pu (zapis, odczyt, wykonywanie kodu)<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
W efekcie, gdy nast\u0105pi zapis pod kt\u00f3rykolwiek z adres\u00f3w nale\u017c\u0105cych do wcze\u015bniej zdefiniowanego obszaru, wygenerowany zostanie wyj\u0105tek procesora. Takich obszar\u00f3w mo\u017cemy zwykle zdefiniowa\u0107 kilka. Dok\u0142adna ich liczba zale\u017cy od procesora i zastosowanego MMU\/MPU.<\/p>\n\n\n\n
W momencie wygenerowania wyj\u0105tku pozostaje jeszcze kwestia okre\u015blenia, kt\u00f3ry z chronionych obszar\u00f3w zosta\u0142 naruszony. W zale\u017cno\u015bci od konkretnego procesora mo\u017cemy to odczyta\u0107 z rejestr\u00f3w MMU\/MPU lub rejestr\u00f3w przechowuj\u0105cych stan pami\u0119ci lub szyny danych (np. bus fault address register<\/em> w procesorach rodziny STM32).<\/p>\n\n\n\n
Zapisywanie wzorca na stosie<\/h2>\n\n\n\n
- Obszar danych statycznych \u2013 po\u0142o\u017cony przy najni\u017cszych adresach RAM-u zawiera w sobie wszelkie dane globalne, przechowywane w naszym programie, np. wszystkie zmienne czy struktury globalne oraz zmienne statyczne.
![\"Og\u00f3lnikowy](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/09\/Stos.jpg\")
<\/a>