严重错误

[English]

概述

在某些情况下,程序并不会按照我们的预期运行,在 ESP-IDF 中,这些情况包括:

  • CPU 异常:非法指令,加载/存储时的内存对齐错误,加载/存储时的访问权限错误,双重异常。

  • 系统级检查错误:

    • 中断看门狗 超时

    • 任务看门狗 超时(只有开启 CONFIG_ESP_TASK_WDT_PANIC 后才会触发严重错误)

    • 高速缓存访问错误

    • 内存保护故障

    • 掉电检测事件

    • 堆栈溢出

    • 堆栈粉碎保护检查

    • 堆完整性检查

    • 未定义行为清理器 (UBSAN) 检查

  • 使用 assertconfigASSERT 等类似的宏断言失败。

本指南会介绍 ESP-IDF 中这类错误的处理流程,并给出对应的解决建议。

紧急处理程序

概述 中列举的所有错误都会由 紧急处理程序(Panic Handler) 负责处理。

紧急处理程序首先会将出错原因打印到控制台,例如 CPU 异常的错误信息通常会类似于

Guru Meditation Error: Core 0 panic'ed (IllegalInstruction). Exception was unhandled.

对于一些系统级检查错误(如中断看门狗超时,高速缓存访问错误等),错误信息会类似于

Guru Meditation Error: Core 0 panic'ed (Cache disabled but cached memory region accessed). Exception was unhandled.

不管哪种情况,错误原因都会被打印在括号中。请参阅 Guru Meditation 错误 以查看所有可能的出错原因。

紧急处理程序接下来的行为将取决于 CONFIG_ESP_SYSTEM_PANIC 的设置,支持的选项包括:

  • 打印 CPU 寄存器,然后重启(CONFIG_ESP_SYSTEM_PANIC_PRINT_REBOOT)- 默认选项

    打印系统发生异常时 CPU 寄存器的值,打印回溯,最后重启芯片。

  • 打印 CPU 寄存器,然后暂停(CONFIG_ESP_SYSTEM_PANIC_PRINT_HALT

    与上一个选项类似,但不会重启,而是选择暂停程序的运行。重启程序需要外部执行复位操作。

  • 静默重启(CONFIG_ESP_SYSTEM_PANIC_SILENT_REBOOT

    不打印 CPU 寄存器的值,也不打印回溯,立即重启芯片。

  • 调用 GDB Stub(CONFIG_ESP_SYSTEM_PANIC_GDBSTUB

    启动 GDB 服务器,通过控制台 UART 接口与 GDB 进行通信。该选项只提供只读调试或者事后调试,详细信息请参阅 GDB Stub

  • 调用动态 GDB Stub (ESP_SYSTEM_GDBSTUB_RUNTIME)

    启动 GDB 服务器,通过控制台 UART 接口与 GDB 进行通信。该选项允许用户在程序运行时对其进行调试、设置断点和改变其执行方式等,详细信息请参阅 GDB Stub

紧急处理程序的行为还受到另外两个配置项的影响:

  • 如果使能了 CONFIG_ESP_DEBUG_OCDAWARE (默认),紧急处理程序会检测 ESP32-S2 是否已经连接 JTAG 调试器。如果检测成功,程序会暂停运行,并将控制权交给调试器。在这种情况下,寄存器和回溯不会被打印到控制台,并且也不会使用 GDB Stub 和 Core Dump 的功能。

  • 如果使能了 内核转储 功能,系统状态(任务堆栈和寄存器)会被转储到 flash 或者 UART 以供后续分析。

  • 如果 CONFIG_ESP_PANIC_HANDLER_IRAM 被禁用(默认情况下禁用),紧急处理程序的代码会放置在 flash 而不是 IRAM 中。这意味着,如果 ESP-IDF 在 flash 高速缓存禁用时崩溃,在运行 GDB Stub 和内核转储之前紧急处理程序会自动重新使能 flash 高速缓存。如果 flash 高速缓存也崩溃了,这样做会增加一些小风险。

    如果使能了该选项,紧急处理程序的代码(包括所需的 UART 函数)会放置在 IRAM 中,导致 SRAM 中的可用内存空间变小。当禁用 flash 高速缓存(如写入 SPI flash)时或触发异常导致 flash 高速缓存崩溃时,可用此选项调试一些复杂的崩溃问题。

下图展示了紧急处理程序的行为:

紧急处理程序流程图(点击放大)

寄存器转储与回溯

除非启用了 CONFIG_ESP_SYSTEM_PANIC_SILENT_REBOOT 否则紧急处理程序会将 CPU 寄存器和回溯打印到控制台

Core 0 register dump:
PC      : 0x400e14ed  PS      : 0x00060030  A0      : 0x800d0805  A1      : 0x3ffb5030
A2      : 0x00000000  A3      : 0x00000001  A4      : 0x00000001  A5      : 0x3ffb50dc
A6      : 0x00000000  A7      : 0x00000001  A8      : 0x00000000  A9      : 0x3ffb5000
A10     : 0x00000000  A11     : 0x3ffb2bac  A12     : 0x40082d1c  A13     : 0x06ff1ff8
A14     : 0x3ffb7078  A15     : 0x00000000  SAR     : 0x00000014  EXCCAUSE: 0x0000001d
EXCVADDR: 0x00000000  LBEG    : 0x4000c46c  LEND    : 0x4000c477  LCOUNT  : 0xffffffff

Backtrace: 0x400e14ed:0x3ffb5030 0x400d0802:0x3ffb5050

仅会打印异常帧中 CPU 寄存器的值,即引发 CPU 异常或者其它严重错误时刻的值。

紧急处理程序如果是因 abort() 而调用,则不会打印寄存器转储。

在某些情况下,例如中断看门狗超时,紧急处理程序会额外打印 CPU 寄存器(EPC1-EPC4)的值,以及另一个 CPU 的寄存器值和代码回溯。

回溯行包含了当前任务中每个堆栈帧的 PC:SP 对(PC 是程序计数器,SP 是堆栈指针)。如果在 ISR 中发生了严重错误,回溯会同时包括被中断任务的 PC:SP 对,以及 ISR 中的 PC:SP 对。

如果使用了 IDF 监视器,该工具会将程序计数器的值转换为对应的代码位置(函数名,文件名,行号),并加以注释:

Core 0 register dump:
PC      : 0x400e14ed  PS      : 0x00060030  A0      : 0x800d0805  A1      : 0x3ffb5030
0x400e14ed: app_main at /Users/user/esp/example/main/main.cpp:36

A2      : 0x00000000  A3      : 0x00000001  A4      : 0x00000001  A5      : 0x3ffb50dc
A6      : 0x00000000  A7      : 0x00000001  A8      : 0x00000000  A9      : 0x3ffb5000
A10     : 0x00000000  A11     : 0x3ffb2bac  A12     : 0x40082d1c  A13     : 0x06ff1ff8
0x40082d1c: _calloc_r at /Users/user/esp/esp-idf/components/newlib/syscalls.c:51

A14     : 0x3ffb7078  A15     : 0x00000000  SAR     : 0x00000014  EXCCAUSE: 0x0000001d
EXCVADDR: 0x00000000  LBEG    : 0x4000c46c  LEND    : 0x4000c477  LCOUNT  : 0xffffffff

Backtrace: 0x400e14ed:0x3ffb5030 0x400d0802:0x3ffb5050
0x400e14ed: app_main at /Users/user/esp/example/main/main.cpp:36

0x400d0802: main_task at /Users/user/esp/esp-idf/components/esp32s2/cpu_start.c:470

若要查找发生严重错误的代码位置,请查看 “Backtrace” 的后面几行,发生严重错误的代码显示在顶行,后续几行显示的是调用堆栈。

GDB Stub

如果启用了 CONFIG_ESP_SYSTEM_PANIC_GDBSTUB 选项,在发生严重错误时,紧急处理程序不会复位芯片,相反,它将启动 GDB 远程协议服务器,通常称为 GDB Stub。发生这种情况时,可以让主机上运行的 GDB 实例通过 UART 端口连接到 ESP32。

如果使用了 IDF 监视器,该工具会在 UART 端口检测到 GDB Stub 提示符后自动启动 GDB,输出会类似于:

Entering gdb stub now.
$T0b#e6GNU gdb (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-80-gff1f415) 7.10
Copyright (C) 2015 Free Software Foundation, Inc.
License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.  Type "show copying"
and "show warranty" for details.
This GDB was configured as "--host=x86_64-build_apple-darwin16.3.0 --target=xtensa-esp32s2-elf".
Type "show configuration" for configuration details.
For bug reporting instructions, please see:
<http://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>.
Find the GDB manual and other documentation resources online at:
<http://www.gnu.org/software/gdb/documentation/>.
For help, type "help".
Type "apropos word" to search for commands related to "word"...
Reading symbols from /Users/user/esp/example/build/example.elf...done.
Remote debugging using /dev/cu.usbserial-31301
0x400e1b41 in app_main ()
    at /Users/user/esp/example/main/main.cpp:36
36      *((int*) 0) = 0;
(gdb)

在 GDB 会话中,我们可以检查 CPU 寄存器,本地和静态变量以及内存中任意位置的值。但是不支持设置断点,改变 PC 值或者恢复程序的运行。若要复位程序,请退出 GDB 会话,在 IDF 监视器 中连续输入 Ctrl-T Ctrl-R,或者按下开发板上的复位按键也可以重新运行程序。

Guru Meditation 错误

本节将对打印在 Guru Meditation Error: Core panic'ed 后面括号中的致错原因进行逐一解释。

备注

想要了解 “Guru Meditation” 的历史渊源,请参阅 维基百科

IllegalInstruction

此 CPU 异常表示当前执行的指令不是有效指令,引起此错误的常见原因包括:

  • FreeRTOS 中的任务函数已返回。在 FreeRTOS 中,如果想终止任务函数,需要调用 vTaskDelete() 函数释放当前任务的资源,而不是直接返回。

  • 无法从 SPI flash 中读取下一条指令,这通常发生在:

    • 应用程序将 SPI flash 的管脚重新配置为其它功能(如 GPIO、UART 等)。有关 SPI flash 管脚的详细信息,请参阅硬件设计指南和芯片/模组的数据手册。

    • 某些外部设备意外连接到 SPI flash 的管脚上,干扰了 ESP32-S2 和 SPI flash 之间的通信。

  • 在 C++ 代码中,退出 non-void 函数而无返回值被认为是未定义的行为。启用优化后,编译器通常会忽略此类函数的结尾,导致 IllegalInstruction 异常。默认情况下,ESP-IDF 构建系统启用 -Werror=return-type,这意味着缺少返回语句会被视为编译时错误。但是,如果应用程序项目禁用了编译器警告,可能就无法检测到该问题,在运行时就会出现 IllegalInstruction 异常。

InstrFetchProhibited

此 CPU 异常表示 CPU 无法读取指令,因为指令的地址不在 IRAM 或者 IROM 中的有效区域中。

通常这意味着代码中调用了并不指向有效代码块的函数指针。这种情况下,可以查看 PC (程序计数器)寄存器的值并做进一步判断:若为 0 或者其它非法值(即只要不是 0x4xxxxxxx 的情况),则证实确实是该原因。

LoadProhibited, StoreProhibited

当应用程序尝试读取或写入无效的内存位置时,会发生此类 CPU 异常。此类无效内存地址可以在寄存器转储的 EXCVADDR 中找到。如果该地址为零,通常意味着应用程序正尝试解引用一个 NULL 指针。如果该地址接近于零,则通常意味着应用程序尝试访问某个结构体的成员,但是该结构体的指针为 NULL。如果该地址是其它非法值(不在 0x3fxxxxxx - 0x6xxxxxxx 的范围内),则可能意味着用于访问数据的指针未初始化或者已经损坏。

IntegerDivideByZero

应用程序尝试将整数除以零。

LoadStoreAlignment

应用程序尝试读取/写入的内存位置不符合加载/存储指令对字节对齐大小的要求,例如,32 位读取指令只能访问 4 字节对齐的内存地址,而 16 位写入指令只能访问 2 字节对齐的内存地址。

LoadStoreError

这类异常通常发生于以下几种场合:

  • 应用程序尝试从仅支持 32 位读取/写入的内存区域执行 8 位或 16 位加载/存储操作,例如,解引用一个指向指令内存区域(比如 IRAM 或者 IROM)的 char* 指针就会触发这个错误。

  • 应用程序尝试写入数据到只读的内存区域(比如 IROM 或者 DROM)也会触发这个错误。

Unhandled debug exception

这后面通常会再跟一条消息:

Debug exception reason: Stack canary watchpoint triggered (task_name)

此错误表示应用程序写入的位置越过了 task_name 任务堆栈的末尾,请注意,并非每次堆栈溢出都会触发此错误。任务有可能会绕过堆栈金丝雀(stack canary)的位置访问内存,在这种情况下,监视点就不会被触发。

Interrupt wdt timeout on CPU0 / CPU1

这表示发生了中断看门狗超时,详细信息请查阅 看门狗 文档。

Cache disabled but cached memory region accessed

在某些情况下,ESP-IDF 会暂时禁止通过高速缓存访问外部 SPI flash 和 SPI RAM,例如在使用 spi_flash API 读取/写入/擦除/映射 SPI flash 的时候。在这些情况下,任务会被挂起,并且未使用 ESP_INTR_FLAG_IRAM 注册的中断处理程序会被禁用。请确保任何使用此标志注册的中断处理程序所访问的代码和数据分别位于 IRAM 和 DRAM 中。更多详细信息请参阅 SPI flash API 文档

Memory protection fault

ESP-IDF 中使用 ESP32-S2 的权限控制功能来防止以下类型的内存访问:

  • 程序加载后向指令 RAM 写入代码

  • 从数据 RAM (用于堆、静态 .data 和 .bss 区域)执行代码

该类操作对于大多数程序来说并不必要,禁止此类操作往往使软件漏洞更难被利用。依赖动态加载或自修改代码的应用程序可以使用 CONFIG_ESP_SYSTEM_MEMPROT_FEATURE 选项来禁用此项保护。

发生故障时,紧急处理程序会报告故障的地址和引起故障的内存访问的类型。

其他严重错误

掉电

ESP32-S2 内部集成掉电检测电路,并且会默认启用。如果电源电压低于安全值,掉电检测器可以触发系统复位。掉电检测器可以使用 CONFIG_ESP_BROWNOUT_DETCONFIG_ESP_BROWNOUT_DET_LVL_SEL 这两个选项进行设置。

当掉电检测器被触发时,会打印如下信息:

Brownout detector was triggered

芯片会在该打印信息结束后复位。

请注意,如果电源电压快速下降,则只能在控制台上看到部分打印信息。

堆不完整

ESP-IDF 堆的实现包含许多运行时的堆结构检查,可以在 menuconfig 中开启额外的检查(“Heap Poisoning”)。如果其中的某项检查失败,则会打印类似如下信息:

CORRUPT HEAP: Bad tail at 0x3ffe270a. Expected 0xbaad5678 got 0xbaac5678
assertion "head != NULL" failed: file "/Users/user/esp/esp-idf/components/heap/multi_heap_poisoning.c", line 201, function: multi_heap_free
abort() was called at PC 0x400dca43 on core 0

更多详细信息,请查阅 堆内存调试 文档。

堆栈粉碎

堆栈粉碎保护(基于 GCC -fstack-protector* 标志)可以通过 ESP-IDF 中的 CONFIG_COMPILER_STACK_CHECK_MODE 选项来开启。如果检测到堆栈粉碎,则会打印类似如下的信息:

Stack smashing protect failure!

abort() was called at PC 0x400d2138 on core 0

Backtrace: 0x4008e6c0:0x3ffc1780 0x4008e8b7:0x3ffc17a0 0x400d2138:0x3ffc17c0 0x400e79d5:0x3ffc17e0 0x400e79a7:0x3ffc1840 0x400e79df:0x3ffc18a0 0x400e2235:0x3ffc18c0 0x400e1916:0x3ffc18f0 0x400e19cd:0x3ffc1910 0x400e1a11:0x3ffc1930 0x400e1bb2:0x3ffc1950 0x400d2c44:0x3ffc1a80
0

回溯信息会指明发生堆栈粉碎的函数,建议检查函数中是否有代码访问局部数组时发生了越界。

未定义行为清理器(UBSAN)检查

未定义行为清理器 (UBSAN) 是一种编译器功能,它会为可能不正确的操作添加运行时检查,例如:

  • 溢出(乘法溢出、有符号整数溢出)

  • 移位基数或指数错误(如移位超过 32 位)

  • 整数转换错误

请参考 GCC 文档 中的``-fsanitize=undefined`` 选项,查看支持检查的完整列表。

使能 UBSAN

默认情况下未启用 UBSAN。可以通过在构建系统中添加编译器选项 -fsanitize=undefined 在文件、组件或项目级别上使能 UBSAN。

在对使用 SoC 硬件寄存器头文件(soc/xxx_reg.h)的代码使能 UBSAN 时,建议使用 -fno-sanitize=shift-base 选项禁用移位基数清理器。这是由于 ESP-IDF 寄存器头文件目前包含的模式会对这个特定的清理器选项造成误报。

要在项目级使能 UBSAN,请在项目 CMakeLists.txt 文件的末尾添加以下内容:

idf_build_set_property(COMPILE_OPTIONS "-fsanitize=undefined" "-fno-sanitize=shift-base" APPEND)

或者,通过 EXTRA_CFLAGSEXTRA_CXXFLAGS 环境变量来传递这些选项。

使能 UBSAN 会明显增加代码量和数据大小。当为整个应用程序使能 UBSAN 时,微控制器的可用 RAM 无法容纳大多数应用程序(除了一些微小程序)。因此,建议为特定的待测组件使能 UBSAN。

要为项目 CMakeLists.txt 文件中的特定组件(component_name)启用 UBSAN,请在文件末尾添加以下内容:

idf_component_get_property(lib component_name COMPONENT_LIB)
target_compile_options(${lib} PRIVATE "-fsanitize=undefined" "-fno-sanitize=shift-base")

注意

关于 构建属性组件属性 的更多信息,请查看构建系统文档。

要为同一组件的 CMakeLists.txt 中的特定组件(component_name)使能 UBSAN,在文件末尾添加以下内容:

target_compile_options(${COMPONENT_LIB} PRIVATE "-fsanitize=undefined" "-fno-sanitize=shift-base")

UBSAN 输出

当 UBSAN 检测到一个错误时,会打印一个信息和回溯,例如:

Undefined behavior of type out_of_bounds

Backtrace:0x4008b383:0x3ffcd8b0 0x4008c791:0x3ffcd8d0 0x4008c587:0x3ffcd8f0 0x4008c6be:0x3ffcd950 0x400db74f:0x3ffcd970 0x400db99c:0x3ffcd9a0

当使用 IDF 监视器 时,回溯会被解码为函数名以及源代码位置,并指向问题发生的位置(这里是 main.c:128):

0x4008b383: panic_abort at /path/to/esp-idf/components/esp_system/panic.c:367

0x4008c791: esp_system_abort at /path/to/esp-idf/components/esp_system/system_api.c:106

0x4008c587: __ubsan_default_handler at /path/to/esp-idf/components/esp_system/ubsan.c:152

0x4008c6be: __ubsan_handle_out_of_bounds at /path/to/esp-idf/components/esp_system/ubsan.c:223

0x400db74f: test_ub at main.c:128

0x400db99c: app_main at main.c:56 (discriminator 1)

UBSAN 报告的错误类型为以下几种:

名称

含义

type_mismatchtype_mismatch_v1

指针值不正确:空、未对齐、或与给定类型不兼容

add_overflowsub_overflowmul_overflownegate_overflow

加法、减法、乘法、求反过程中的整数溢出

divrem_overflow

整数除以 0 或 INT_MIN

shift_out_of_bounds

左移或右移运算符导致的溢出

out_of_bounds

访问超出数组范围

unreachable

执行无法访问的代码

missing_return

Non-void 函数已结束而没有返回值(仅限 C++)

vla_bound_not_positive

可变长度数组的大小不是正数

load_invalid_value

bool 或 enum(仅 C++)变量的值无效(超出范围)

nonnull_arg

对于 nonnull 属性的函数,传递给函数的参数为空

nonnull_return

对于 returns_nonnull 属性的函数,函数返回值为空

builtin_unreachable

调用 __builtin_unreachable 函数

pointer_overflow

指针运算过程中的溢出