LDD之调试

最新推荐文章于 2024-12-16 13:34:01 发布

posado

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分类专栏： linux kernel

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本文介绍了Linux设备驱动开发中的调试方法，包括内核配置、打印设备号、proc与sysfs的区别、创建proc和seq_file、ioctl、strace的使用、分析oops、系统挂起情况的调试以及调试器的应用，旨在帮助内核及驱动开发者提升调试效率。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

Linux Device Driver之调试

linux提供了大量的调试方法和接口，熟悉使用它们，对于内核及驱动开发都会有很大的帮助。

与调试有关的内核配置

CONFIG_DEBUG_KERNEL - 内核调试总开关，使能其他调试配置。

CONFIG_DEBUG_SLAB - 使能内核内存分配的检查，能探测到内存覆盖和遗漏初始化等错误。分配的每一个字节的值都是0xa5，在释放后都是0x6b。

CONFIG_DEBUG_PAGEALLOC - 满的页在被释放时，从内核地址空间去除，能探测到某些内存损坏错误。

CONFIG_DEBUG_SPINLOCK - 内核能捕捉到对未初始化的自旋锁的操作，以及多次解锁同一个锁。

CONFIG_DEBUG_SPINLOCK_SLEEP - 内核检查持有自旋锁时进入睡眠，事实上，一旦调用可能睡眠的函数，内核就会提示。

CONFIG_INIT_DEBUG - 对于初始化完成后，访问__init和__initdata标志的项，内核就会提示。

CONFIG_DEBUG_INFO - 在编译内核时，包含完整的调试信息，对于gdb有用，要是有gdb，还要使能CONFIG_FRAME_POINTER。

CONFIG_MAGIC_SYSRQ - 使能sysrq键。

CONFIG_DEBUG_STACKOVERFLOW - 内核堆栈溢出检查。

CONFIG_DEBUG_STACK_USAGE - 统计内核堆栈的使用情况。

CONFIG_KALLSYMS - 内核符号信息。

CONFIG_IKCONFIG - 完整的内核配置状态。

CONFIG_IKCONFIG_PROC - 完整的内核配置状态。

CONFIG_ACPI_DEBUG - ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)相关的调试信息。

CONFIG_DEBUG_DRIVER - 驱动核心的调试信息。

CONFIG_SCSI_CONSTANTS - SCSI错误信息。

CONFIG_INPUT_EVBUG - 输入事件的详细日志。记录所有键盘输入，包括密码。

CONFIG_PROFILING - 内核性能调试，分析内核挂起。

内核打印调试

printk

它类似于应用程序中的printf，但是是分级打印的。一共8个级别。

KERN_EMERG - 紧急消息。

KERN_ALERT - 需要立即关注的消息。

KERN_CRIT - 严重的软硬件失效。

KERN_ERR - 出错信息，报告硬件故障。

KERN_WARNING - 警告信息。

KERN_NOTICE - 正常情况，但是值得注意，与安全相关。

KERN_INFO - 信息，打印硬件信息。

KERN_DEBUG - 调试消息。

KERN_EMERG对应于0，KERN_ALERT对应于1，...，KERN_DEBUG对应于7。

基于记录的级别，内核可能打印消息到当前控制台，可能是文本模式终端，串口，并口打印机。如果优先级小于console_loglevel，消息输出到控制台，如果klogd和syslogd都在运行，消息追加到/var/log/messages，如果klogd没有运行，可以使用dmsg将/proc/kmsg读取到用户空间。klogd对重复消息只打印一遍，之后显示重复的行数。

使用klogd -c可以修改console_loglevel的值，先kill掉老的klogd。

也可以通过修改/proc/sys/kernel/printk来修改控制台记录级别，当我们cat /proc/sys/kernel/printk时，会显示4个数字，依次表示的是：

当前记录级别没有明确记录级别的消息的缺省级别最小记录级别启动时缺省记录级别

echo 8 > /proc/sys/kernel/printk

将输出所有消息。

重定向控制台消息

如下的程序可以改变接受消息的控制台。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    char bytes[2] = {11,0}; /* 11 is the TIOCLINUX cmd number */

    if (argc==2) bytes[1] = atoi(argv[1]); /* the chosen console */
    else {
        fprintf(stderr, "%s: need a single arg\n",argv[0]); exit(1);
    }
    if (ioctl(STDIN_FILENO, TIOCLINUX, bytes)<0) {    /* use stdin */
        fprintf(stderr,"%s: ioctl(stdin, TIOCLINUX): %s\n",
                argv[0], strerror(errno));
        exit(1);
    }
    exit(0);
}

这个程序使用特殊的ioctl命令TIOCLINUX，参数是一个数组，第一个字节是子命令，第二个参数是要操作的控制台。

printk将消息写入__LOG_BUF_LEN（4KB到1MB）字节长的环形缓存，从/proc/kmsg读取是从日志缓存中消费数据，而syslog系统调用能够选择地返回日志数据同时保留它给其他进程。klogd是直接读取/proc/kmsg，而dmsg可用来查看缓存的内容，并不会冲掉它。

如果环形缓存填满，printk绕回并从缓存的开头增加新数据，覆盖最老的数据。printk可以在任何地方调用，不限制打印多少数据，是经典的调试方法。

如果klogd在运行，它获取内核消息并分发给syslogd，syslogd检查/etc/syslog.conf来如何处理它们。如果klogd没有运行，数据保留在环形缓存直到有人读取或者被覆盖。

关闭和打开调试

如下代码展示如何定义调试宏

# ifdef __KERNEL__
/* 内核空间 */
# define PDEBUG(fmt, args...) printk( KERN_DEBUG "xxxxx: " fmt, ## args)
# else
/* 用户空间 */
# define PDEBUG(fmt, args...) fprintf(stderr, fmt, ## args)
# endif

限制打印的速率

if (printk_ratelimit())
printk(KERN_NOTICE "The printer is still on fire\n");

通过修改如下2个文件，可以改变速率限制
重新使能消息前等待的秒数
/proc/sys/kernel/printk_ratelimit
限速前可接收的消息数
/proc/sys/kernel/printk_ratelimit_burst

打印设备号

int print_dev_t(char *buffer, dev_t dev);
char *format_dev_t(char *buffer, dev_t dev);

用查询来调试

proc vs sysfs
proc vs seq_file

当一个进程读取驱动的proc文件时，内核分配一个PAGE_SIZE字节的内存页，用于驱动写入返回给用户空间的数据。

int (*read_proc)(char *page, char **start, off_t offset, int count, int *eof, void *data);

创建proc文件

包含头文件

#include <linux/proc_fs.h>;

使用如下函数创建

struct proc_dir_entry *create_proc_read_entry(const char *name,mode_t mode, struct proc_dir_entry *base, read_proc_t *read_proc, void *data);

使用如下函数去除

void remove_proc_entry(const char *name, struct proc_dir_entry *parent);

创建seq_file

包含头文件

#include <linux/seq_file.h>;

需要实现如下几个方法：

void *start(struct seq_file *sfile, loff_t *pos);
void *next(struct seq_file *sfile, void *v, loff_t *pos);
void stop(struct seq_file *sfile, void *v);
int show(struct seq_file *sfile, void *v);

start/next是用来迭代的，stop用于做一些清理工作，show才是用来输出数据给用户空间的，不能使用printk，当然有如下接口用于输出。

int seq_printf(struct seq_file *sfile, const char *fmt, ...);
int seq_putc(struct seq_file *sfile, char c);
int seq_puts(struct seq_file *sfile, const char *s);
int seq_escape(struct seq_file *m, const char *s, const char *esc);

seq_printf对应于C库中的printf，seq_putc对应于putc，seq_puts对应于puts；seq_ecape类似于seq_puts，只是以八进制输出。

做一个结构体

static struct seq_operations xx_seq_ops = {
.start = xx_seq_start,
.next = xx_seq_next,
.stop = xx_seq_stop,
.show = xx_seq_show
};

这里需要实现xx_seq_start，xx_seq_next，xx_seq_stop，xx_seq_show。

然后实现如下函数来把file联系到seq_file操作。

static int xx_proc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    return seq_open(file, &xx_seq_ops);
}

然后建立file_operations结构体：

static struct file_operations xx_proc_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = xx_proc_open,
.read = seq_read,
.llseek = seq_lseek,
.release = seq_release
};

最后调用如下函数：

struct proc_dir_entry *create_proc_entry(const char *name,mode_t mode,struct proc_dir_entry *parent);

例如：

entry = create_proc_entry("xxseq", 0, NULL);
if (entry)
entry->proc_fops = &xx_proc_ops;

ioctl方法

需要在驱动中实现一些调试和查看信息的命令，以及一些结构体用于返回数据。需要写一个用户空间的应用程序，通过调用ioctl方法来获取、显示驱动信息。

ioctl实现很简单，不需要实现文件操作的那些方法；对数据大小也没有要求，不需要划分为一页；而且看不到api和驱动代码的人不会知道ioctl命令的存在。缺点是驱动功能代码里有了调试用的代码，驱动的体积变大。

使用strace

strace显示用户空间程序发出的系统调用以及参数和返回值。

例如：

strace ls /dev > /dev/null

最有用的命令行参数如下：

-t 来显示每个调用执行的时间

-T 来显示调用中花费的时间

-e 来限制被跟踪调用的类型

-o 来重定向输出到一个文件

分析oops

当使用NULL或者其他不正确指针时，会抛出oops消息。

当解引用一个无效的指针时，分页机制无法映射指针到一个物理地址，处理器发出一个页错误给操作系统。如果地址无效,，内核无法“页入”缺失的地址。

oops 显示了出错时的处理器状态,，包括CPU 寄存器内容。

有2个很有用的信息：

EIP和Stack/Call Trace

在x86体系下，0xC0000000以下是用户空间，以上是内核空间。

系统挂起

当单处理器禁止了抢占时，如果代码进入了一个无限循环，那么内核停止调度，系统就挂起了。

在多处理器和单处理器使能了抢占时，内核还是有可能在其他处理器上调度或者抢占当前的进程。

插入schedule可以阻止无限循环。

当驱动持有自旋锁时，不能调用schedule。

sysrq

alt + sysrq +

r - 关闭键盘原始模式；

k - SAK，干掉当前控制台所有运行的进程；

s - 对所有磁盘紧急同步；

u - 重新以只读模式加载所有磁盘；

b - 重启；

p - 打印处理器消息；

t - 打印当前任务列表；

m - 打印内存信息。

运行时关闭sysrq功能：

echo 0 > /proc/sys/kernel/sysrq

文件/proc/sysrq-trigger是一个可写的可触发sysrq请求的好地方，例如：

echo 'p' > /proc/sysrq-trigger

通过

cat /var/log/message

可以查看如上命令的输出结果。

documentation/basic_profiling.txt讲述了如何使用readprofile和oprofile。

调试器

在内核上使用一个交互式的调试器是很困难的，并且像断点、单步都很难使用。因此万不得已才考虑使用。并且编译内核时需要使能CONFIG_DEBUG_INFO，这样的话，镜像就会很大。

使用gdb

gdb /usr/src/linux/vmlinux /proc/kcore

使用gdb不断打印某个变化的数据项的值时，由于gdb是以多个几KB块的方式读取核心的，并且只会缓存已读取的块，所以需要使用命令gdb core-file /proc/kcore来刷新缓存。

模块是独立于vmlinux的可执行镜像，那么要调试模块也比较困难，不过有3个节跟调试相关：

.txt - 模块的可执行代码

.bss - 编译时不初始化的变量

.data - 编译时需要初始化的变量

当每个模块被加载后，在/sys/module/xxx/sections/.text给出了节的基地址，我们需要使用的命令是add-symbol-file，这个命令需要模块名以及节的基地址作为输入，也可以添加另外一些感兴趣的输入：

例如：

gdb add-symbol-file xxx.ko 0xdddd1000 -s .bss 0xdddd3000 -s .data 0xdddd2000

gdb print *(addr)，指定addr为一函数指针地址，就会打印出对应函数文件及行号

使用kdb

要使用kdb，需要到 http://oss.sgi.com/projects/kdb/下载相对应的patch：（ftp地址 ftp://oss.sgi.com/www/projects/kdb/download/）
patch -p1 < kdb-xxx
make *config
使能CONFIG_KDB，重现编译内核。
在控制台按下键盘的Pause或者Break键启动kdb，kdb在发生oops或者命中断点时也会启动。

kdb命令：
bp xxx - 设置断点
go - 开始执行
bt - 显示调用栈
mds - 显示数据
mm - 修改数据

使用kgdb

kgdb使用串口或者网络，连接发调试命令的机器和运行调试内核的机器。

使用UML - 用户模式的Linux

将内核运行在由系统调用实现的虚拟机上，可以调试和硬件无关的代码。可以运行各种调试器，加快内核开发。可以参考 http://user-mode-linux.sourceforge.net/。

使用Linux Trace Toolkit

可以用来追踪内核事件，调试性能问题。可以参考 http://www.opersys.com/LTT/。

使用Dynamic Probes

IBM为IA-32开发的Linux调试工具。可以在内核空间、用户空间插入探针，用来返回信息给用户空间或者改变寄存器的值。