Linux操作系统相关调试分析

Linux操作系统相关调试分析

参考：

1. 庖丁解牛linux内核
2. 孟宁老师与李春杰老师《Linux操作系统分析》课程所使用的PPT

环境：ubuntu、linux-5.4.34

一、Linux的编译配置安装

安装开发工具

1. sudo apt install build-essential
2. sudo apt install qemu # install QEMU
3. sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev

下载内核源码

1. sudo apt install axel
2. axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
3. xz -d linux-5.4.34.tar.xz
4. tar -xvf linux-5.4.34.tar # 解压
5. cd linux-5.4.34 # 进入内核源码文件夹

配置内核选项

编译和运行内核

后续制作好根文件系统后，就可以开始使用GDB调试跟踪。

二、start_kernel（）跟踪

运行操作系统内核，并使用GDB调试跟踪启动过程

1. 启动内核：qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s
   
2. 打开令一个终端，输入如下命令，以令GDB连接上内核
   - cd linux-5.4.34/
   - gdb vmlinux
   - （gdb）target remote：1234
   - （gdb）b strat_kernel
   第四条命令是再strat_kernel函数上打上了断点。gdb常用命令如下：
   - c 继续执行
   - b [functionName] 在某函数位置打上断点
   - list 现实当前运行位置代码
   - next 单步跳过
   - step 单步进入
   - bt 显示函数调用堆栈
3. 跟踪start_kernel函数
   - strat_kernel()
   
   - set_task_stack_end_magic()
   
   - end_of_stack() 执行过后返回set_task_stack_end_magic()，让后再返回到start_kernel()
   
   - arch_local_irq_disable()
   
   - 随后是系统对中断相关的处理
   

总结：

从对start_kernel()的跟踪中可以看出，start_kernel使用set_task_stack_end_magic()函数创建了0号进程init_task，随后对进行中断相关的处理。
start_kernel进程创建部分的流程：

三、中断过程简述

总流程

1. 硬件级别保存现场并转入中断处理程序。
2. 软件级保存现场。
3. 中断处理。
4. 软件级现场恢复。
5. iret，硬件级现场恢复。

硬件

中断描述符表（IDT）：记录相应中断处理程序的CS、eip和权限等信息。
GDT表：全局描述符表，记录系统分段信息。CS指向其中一项。
idtr：存储中断描述符表的基地址。
gdtr：存储GDT表的基地址。

1. 确定与中断或者异常关联的向量i。
2. 读idtr寄存器指向的IDT表中的第i项。
3. 从gdtr中获得GDT表的基地址，使用IDT表中获得的CS找到相应GDT表的相应表项。
4. 确定中断是由授权的发生源发出的。
   - 中断：中断处理程序的特权不能低于引起中断的程序的特权（对应GDT表中的DPL和CS寄存器中的CPL）。
   - 编程异常：还需比较CPL与对应IDT表项中的DPL。
5. 检查是否发生特权级的变化，一般指是否由用户态陷入内核态。如果是，控制单元必须开始使用与新特权级别相关的堆栈。
   - 读tr寄存器（记录了进程tss段的基地址），访问运行进程的tss段（记录了进程的内核栈信息）。
   - 用与新特权级相关的栈段和栈指针装载ss和esp寄存器。这些值存在于tss段中。
   - 在新特权级栈中保存先前的ss和esp值，这些信息指明了旧特权级相关栈的逻辑地址。

软件

保存现场，即保存除去硬件已经保存的寄存器内容。按照内核要求顺序，依次push寄存器内容到内核栈。

退出中断

1 软件级别恢复现场

2 硬件级恢复现场

1. 执行iret汇编指令：
   - 用保存在栈中的值装载CS，eip和eflags寄存器。
   - 检查处理程序的特权级是否等于CS中最低两位的值。若是，iret终止执行；否则，转入3。
   - 从栈中装载CS、eip寄存器。这一步完成后，意味着返回到了用户态堆栈。
   - 检查ds、es、fs和gs段寄存器的内容，如果其中一个寄存器包含的选择符是一个段描述符，并且特权级比当前特权级高，则清除相应的寄存器。从而防止恶意用户程序利用寄存器访问内核空间。

尾注：

学号后三位：453