摘   要： 在Linux內(nèi)核中加入kgdb，通過開發(fā)機上的gdb對目標機上的內(nèi)核進行源代碼級的調(diào)試技術(shù)。
關(guān)鍵詞： 遠程調(diào)試  kgdb  串口通信協(xié)議  異常處理

　　操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)試器除完成一般的調(diào)試功能外，還必須工作在內(nèi)核中。因此，內(nèi)核調(diào)試器與用戶級的調(diào)試器有很大的區(qū)別。在Linux系統(tǒng)中，對內(nèi)核的調(diào)試有很多種方法，例如：可在內(nèi)核中插入printk( )函數(shù)，將調(diào)試信息輸出，然后針對輸出的信息進行分析；可以使用/proc文件系統(tǒng)對內(nèi)核進行分析；可以利用strace命令對系統(tǒng)調(diào)用進行分析。但這些方法都不能直接對內(nèi)核源代碼級進行調(diào)試。因此，本文介紹一種在內(nèi)核源代碼中插入kgdb(Kernel GNU Debuger，GNU內(nèi)核調(diào)試器)，通過開發(fā)機上的gdb調(diào)試器對運行于目標機上的內(nèi)核進行源代碼級調(diào)試的技術(shù)。
1  kgdb調(diào)試內(nèi)核的實現(xiàn)原理
1.1 通信協(xié)議
　　kgdb提供了一種使用gdb調(diào)試Linux內(nèi)核的機制。使用kgdb調(diào)試內(nèi)核需要二臺機器，一臺作為開發(fā)機，另一臺作為目標機，通過串口將它們連接起來。在將要調(diào)試的內(nèi)核中插入kgdb，重新編譯內(nèi)核，使其運行在目標機上。而gdb在開發(fā)機上運行，gdb通過串口與要調(diào)試的內(nèi)核進行通信，對目標機上的內(nèi)核進行控制，從而實現(xiàn)遠程調(diào)試內(nèi)核的目的。
　　要使gdb有效地控制調(diào)試目標機上的內(nèi)核，必須與目標機上的kgdb約定相互的通信協(xié)議。而gdb本身帶有一個遠程串行通信協(xié)議，所以在kgdb中包含相同的協(xié)議即可實現(xiàn)開發(fā)機與目標機之間的通信。
　　開發(fā)機上的gdb可以向目標機發(fā)送一些命令數(shù)據(jù)包，如果kgdb能夠?qū)崿F(xiàn)g、G、m、M、c和s等主要命令，則在使用gdb對目標機上的內(nèi)核進行調(diào)試時就像在本機上調(diào)試程序一樣。這六個命令的功能描述如下：
　　g：查看CPU寄存器的值；
　　G：設(shè)置CPU寄存器的值；
　　maddr，count：從addr位置開始讀count個字節(jié)的數(shù)據(jù)；
　　Maddr，count：從addr位置開始寫count個字節(jié)的數(shù)據(jù)；
　　c/caddr：在當前位置上繼續(xù)執(zhí)行程序或從地址addr處開始執(zhí)行；
　　s/saddr：單步執(zhí)行當前的指令，或者執(zhí)行到指定的addr位置。
1.2 kgdb遠程調(diào)試技術(shù)分析
　　遠程調(diào)試常采用插樁(stub)的方法實現(xiàn)。在目標操作系統(tǒng)內(nèi)和開發(fā)機上的調(diào)試器內(nèi)分別加入某些功能模塊（如通信模塊和異常處理模塊等），二者互通信息來完成調(diào)試工作，這些功能模塊統(tǒng)稱為插樁。gdb本身帶有這些功能模塊，所以在調(diào)試內(nèi)核時，只需要在內(nèi)核中加入stub插樁模塊即可實現(xiàn)用gdb遠程調(diào)試內(nèi)核的目的。gdb遠程調(diào)試器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　通過對kgdb源程序進行分析可知，kgdb主要有二大模塊：一個是初始化模塊，完成初始化過程，接管所有異常、設(shè)置串口通信等低層實現(xiàn)；另一個是控制模塊，實現(xiàn)通信，對接收到的信息包進行解析并執(zhí)行，對應(yīng)答包進行打包發(fā)送。
1.2.1 kgdb初始化模塊的實現(xiàn)
　　在Linux啟動時要調(diào)用start_kernel( )函數(shù)。該函數(shù)調(diào)用一系列初始化函數(shù)，完成系統(tǒng)初始化工作。kgdb通過對該函數(shù)進行修改，使其在內(nèi)核初始化工作完成后將控制權(quán)交給插樁程序kgdb，由插樁程序完成調(diào)試內(nèi)核的任務(wù)。
　　(1)設(shè)置異常中斷處理程序入口
　　kgdb插樁模塊要對目標機上被調(diào)試的程序進行控制，必須對目標機上所發(fā)生的所有異常進行統(tǒng)一管理。在上述Linux啟動過程中，若要執(zhí)行start_kernel( )函數(shù)，則應(yīng)在該函數(shù)中調(diào)用trap_init( )函數(shù)設(shè)置各種入口地址，如異常事件處理程序入口、系統(tǒng)調(diào)用入口等。其中trap0～trap19為各種異常事件錯誤入口，如被0除、溢出、存儲器越界等。為了使gdb能夠捕獲這些發(fā)生在目標機上的異常，kgdb要對各個需要捕獲的異常處理函數(shù)進行修改。當發(fā)生異常時使異常處理事件進入異常處理函數(shù)handle_excepton( )，han-
dle_excepton( )就會將目標機上發(fā)生的異常以信號“Sxx”的方式通知主機上的gdb，主機上的gdb即可知道目標機上發(fā)生的異常。
　　(2)串口初始化
　　將所有異常入口地址進行修改后，應(yīng)該對串口進行初始化，并設(shè)置linux_debug_traps指針變量的值，使其指向異常處理程序入口地址。此工作結(jié)束后，kgdb就接管所有發(fā)生在目標機上的異常事件。
1.2.2 kgdb控制模塊的實現(xiàn)
　　kgdb控制模塊主要完成對協(xié)議的解析和執(zhí)行，這些功能都在handle_exception( )函數(shù)中實現(xiàn)。通過該函數(shù)可實現(xiàn)在內(nèi)核中設(shè)置斷點、單步執(zhí)行代碼和監(jiān)視變量的值。
　　handle_exception( )函數(shù)首先判斷CPU是否處于虛擬86模式或用戶態(tài)，若是則返回。由此可見，kgdb只對內(nèi)核態(tài)程序進行調(diào)試。其次判斷是否發(fā)生讀/寫內(nèi)存異常，若是則為讀/寫內(nèi)存操作設(shè)置一個有效內(nèi)存地址，返回重試，否則向主機發(fā)送信息“Sxx”，其中xx是發(fā)生異常的信號量值，即通知開發(fā)機上的gdb在目標機上發(fā)生了什么樣的異常。接下來handle_exception( )接收來自主機的調(diào)試命令，對來自主機的命令進行解析并完成命令的執(zhí)行，在kgdb中主要完成的調(diào)試命令有m、M、g、G、s、c。當這些命令執(zhí)行完后還需要向開發(fā)機發(fā)送應(yīng)答信息，報告完成命令的情況。此函數(shù)的流程如圖2所示。

　　(1)g讀寄存器命令的實現(xiàn)。當系統(tǒng)發(fā)生異常時，系統(tǒng)首先將發(fā)生異常的進程的CPU狀態(tài)保存在核心堆棧中。用g命令讀寄存器時，實際上就是從核心棧中去取，但gdb所規(guī)定的寄存器的排列與Linux內(nèi)核中對寄存器的排列順序不一致，需要進行寄存器的轉(zhuǎn)換。通過函數(shù)regs_to_gdb_regs(gdb_regs，&regs)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后將寄存器的值打包送回主機。
　　(2)G寫寄存器命令的實現(xiàn)。對接收到的數(shù)據(jù)包進行解包，把結(jié)果放入gdb_regs結(jié)構(gòu)中，再通過gdb_regs_to_regs(gdb_regs,&regs)函數(shù)將接收到的寄存器的值進行轉(zhuǎn)換，并放入核心棧中，通過對核心棧的修改得到修改寄存器的目標。
　　(3)讀/寫內(nèi)存命令的實現(xiàn)。對內(nèi)存的讀寫有可能再次發(fā)生讀寫內(nèi)存異常。例如對一個非法的地址進行讀寫的kgdb解決方法如下：
　　kgdb通過函數(shù)int get_char(char?鄢char)讀內(nèi)存，通過函數(shù)void set_char(char?鄢addr，int val)寫內(nèi)存。kgdb在讀/寫不確定的內(nèi)存時，通過二個變量來判斷是否讀/寫內(nèi)存發(fā)生異常。一個變量是kgdb_memerr_expected，標志是否讀寫不確定的內(nèi)存；另一個變量是kgdb_memerr，標志在讀寫內(nèi)存時是否發(fā)生了異常。這樣，對不確定內(nèi)存的讀/寫過程可分三步。
　　第一步：對這二個變量賦值。將kgdb_memerr_expected賦值為1，表示對不確定內(nèi)存進行讀/寫操作。對kgdb_me-merr賦值為0，表示在讀/寫內(nèi)存時沒有發(fā)生異常。
　　第二步：對內(nèi)存進行讀寫操作。若讀寫地址是非法地址，則進入異常處理程序，轉(zhuǎn)第三步。若正確，則返回，并清變量kgdb_memerr_expected為0，表示讀寫內(nèi)存結(jié)束。
　　第三步：進入異常處理程序中。首先要判斷kgdb_me-merr_expected是否為1。若是1，則說明對內(nèi)存讀/寫時發(fā)生了異常。這時先清kgdb_ memerr_expected為0，置kgdb_memerr為1，標志在讀/寫內(nèi)存時發(fā)生了異常，并為讀/寫內(nèi)存設(shè)置一個有效地址。這個有效地址是一個可讀/寫的內(nèi)存地址，可以對其進行操作，操作的結(jié)果是無效的。
　　(4)s單步命令的實現(xiàn)。基于x86 CPU的體系結(jié)構(gòu)支持單步執(zhí)行，但它只是指令級的單步，而不是源代碼級的單步。這里的s命令是實現(xiàn)指令級的單步，它的處理方法是：將產(chǎn)生異常的進程標志寄存器的陷阱標志位TF置1，異常中斷處理程序結(jié)束返回到異常點繼續(xù)執(zhí)行。因TF標志位為1，所以程序執(zhí)行一條指令后又進入異常處理程序。主機處的gdb利用此命令實現(xiàn)源代碼級的單步跟蹤。
　　(5)c繼續(xù)運行命令的實現(xiàn)。異常處理程序結(jié)束，恢復異常處的CPU狀態(tài)，使程序繼續(xù)執(zhí)行。
2  kgdb插樁技術(shù)的不足與改進
　　現(xiàn)有的kgdb不具有使目標程序進行調(diào)試模式和正常運行模式的切換功能。目前的處理方法是：當程序調(diào)試好后，將kgdb卸下，重新編譯程序。當發(fā)生錯誤時再將kgdb插入目標程序中，編譯后再在目標機上調(diào)試。由此可見操作十分不便。本文提出一種新的設(shè)計思路，使目標機上運行的程序可隨時進行調(diào)試模式與正常運行模式的切換，這樣更便于調(diào)試。下面討論其實現(xiàn)方法。
 　　(1)在目標機方：通過對kgdb源代碼分析可知，在進入各異常函數(shù)中，首先判斷指向gdb_debug_hook類型的函數(shù)指針變量linux_debug_hook是否為空。若不為空則執(zhí)行異常處理函數(shù)handle_exception( )，否則，執(zhí)行原異常處理程序。這樣通過修改這個變量的值，即可實現(xiàn)調(diào)試模式與正常運行模式的轉(zhuǎn)換。當設(shè)置linux_debug_hook為(gdb_debug_hook?鄢)NULL時，目標機程序運行在正常運行狀態(tài)；當設(shè)置linux_debug_hook為指向異常函數(shù)handle_exception( )時，則目標機程序運行在調(diào)試狀態(tài)。
　　 (2)在主機方：調(diào)試狀態(tài)到正常運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換：在kgdb中設(shè)置一個變量int stop_gdb。當主機對該變量進行賦值時，目標機上的kgdb獲取信息后，使指向函數(shù)的指針變量linux_debug_hook指向（gdb_debug_hook?鄢）NULL，然后，kgdb構(gòu)造c命令并執(zhí)行，使目標機上的程序脫離調(diào)試運行模式進入正常運行模式。
　　主機端發(fā)送命令：set stop_gdb=1
　　這條命令經(jīng)過主機端的gdb解析，實際上是執(zhí)行協(xié)議命令M，即寫內(nèi)存命令。這樣就需要在kgdb中對M命令進行修改。
　　目標端kgdb 執(zhí)行M命令的算法描述如下：
　　(1)向主機返回應(yīng)答信息“OK”；
　　(2)如果所寫地址與變量stop_gdb的地址相同，則轉(zhuǎn)(4)；
　　(3)執(zhí)行原M命令，轉(zhuǎn)（8）；
　　(4)設(shè)置變量initialized為0；
　　(5)設(shè)置指針變量linux_debug_hook為(gdb_debug_hook*)NULL；
　　(6)構(gòu)造命令c；
 　　(7)執(zhí)行命令c，目標機上被調(diào)試的程序轉(zhuǎn)為正常運行模式；
　　(8)結(jié)束。
　　正常運行狀態(tài)到調(diào)試狀態(tài)的轉(zhuǎn)換：目標程序從正常運行狀態(tài)切換到調(diào)試狀態(tài)，就不像從調(diào)試狀態(tài)到正常運行狀態(tài)切換那樣對一個變量進行設(shè)置而觸發(fā)狀態(tài)的切換。因為目標機已不在主機端gdb的控制下運行，主機端的gdb與目標機端的kgdb已失去了聯(lián)系。所以要激活目標機進入調(diào)試狀態(tài)，只能使用中斷技術(shù)，利用串口中斷來激活對目標機由正常運行狀態(tài)切換到調(diào)試狀態(tài)。
　　在gdb與目標機建立連接時，gdb首先要向目標機發(fā)送一個數(shù)據(jù)包$Hc-1#09，它會觸發(fā)目標機上串口中斷處理程序的執(zhí)行，并判斷接收的數(shù)據(jù)包是否為“Hc-1”。若是則設(shè)置linux_debug_hook指向異常中斷處理程序handle_exception( )，并執(zhí)行breakpoint( )函數(shù)，使目標機進入調(diào)試狀態(tài)。
　　通過上述方法即可實現(xiàn)目標機上程序運行狀態(tài)的切換，使程序調(diào)試更加靈活。
3  結(jié)束語
　　通過對kgdb調(diào)試技術(shù)的分析與改進，增加了調(diào)試的方法和思路。此調(diào)試技術(shù)可以應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)中，為嵌入式開發(fā)工具增加了一種廉價而強有力的調(diào)試工具。
參考文獻
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