使用qemu单步调试linux arm64

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本文介绍了如何在Ubuntu 18环境下，使用QEMU模拟运行ARM64架构的Linux内核，并通过GDB进行单步调试。详细步骤包括环境准备、代码下载与构建、QEMU运行配置，以及GDB调试命令的使用。

环境准备

1、ubuntu18环境，本文使用的是win10的wsl

2、在ubuntu18中安装qemu-system-aarch64

3、下载linaro编译链

https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/5.5-2017.10/aarch64-linux-gnu/gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar.xz

正文

1、下载代码

为了方便调试，下载使用了-O 0编译的rlk Linux内核

git clone https://code.aliyun.com/runninglinuxkernel/runninglinuxkernel_4.0.git

编写构建脚本build_qemu_arm64.sh

$ vim build_qemu_arm64.sh

LROOT=$PWD
JOBCOUNT=${JOBCOUNT=$(nproc)}


export PATH=/home/pomelo/toolchain/gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin:$PATH
export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

echo "start build kernel image..."
#make defconfig
make debian_defconfig
make -j $JOBCOUNT

执行脚本开始构建

./build_qemu_arm64.sh

2、使用qemu模拟运行

编写运行脚本run_qemu_arm64.sh

$ vim run_qemu_arm64.sh

LROOT=$PWD
JOBCOUNT=${JOBCOUNT=$(nproc)}

export PATH=$PATH:/home/pomelo/toolchain/gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin
export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

SMP="-smp 4"
MEM="-m 1024"

if [ $# -eq 1 ] && [ $1 == "debug" ]; then
        echo "Enable qemu debug server"
        DBG="-s -S"
        SMP=""
        MEM="-m 100"
fi

if [ ! -f $LROOT/arch/arm64/boot/Image ]; then
        echo "canot find kernel image, pls run build_kernel command firstly!!"
        echo "./build_qemu_arm64.sh"
        exit 1
fi



qemu-system-aarch64 $MEM -cpu cortex-a57 -M virt\
                -nographic $SMP -kernel arch/arm64/boot/Image \
                -append "noinintrd root=/dev/vda rootfstype=ext4 rw loglevel=8" \
                -drive if=none,file=$LROOT/../buildroot-2019.02.8/output/images/rootfs.ext4,id=hd0 \
                -device virtio-blk-device,drive=hd0 \
                --fsdev local,id=kmod_dev,path=./kmodules,security_model=none \
                -device virtio-9p-device,fsdev=kmod_dev,mount_tag=kmod_mount\
                -netdev user,id=mynet\
                -device virtio-net-device,netdev=mynet\
                $DBG

执行脚本开始运行

./run_qemu_arm64.sh

将host的目录挂在到vm中，命令如下：

mount -t 9p -o trans=virtio kmod_mount /mnt

host的路径在运行脚本的--fsdev local,id=kmod_dev,path=./kmodules这个位置指定，这样就可以很方便的进行两边虚拟机通信。

3、使用gdb进行单步调试

以调试模式启动qemu虚拟机

./run_qemu_arm64.sh debug

然后另外启动一个终端，在终端中启动GDB

aarch64-linux-gnu-gdb vmlinux

1、通过1234端口远程连接到QEMU平台

2、在内核的start_kernel处设置断点

3、c 命令qemu执行到start_kernel代码处理

命令如下：

(gdb) target remote localhost:1234
Remote debugging using localhost:1234
0x0000000040000000 in ?? ()
(gdb) b start_kernel
Breakpoint 1 at 0xffff800000d8f0c4: file init/main.c, line 499.
(gdb) c

这里推荐使用TUI，TUI（TextUser Interface）为GDB调试的文本用户界面，可以方便地显示源代码、汇编和寄存器文本窗口

aarch64-linux-gnu-gdb --tui vmlinux

gdb命令简单使用

1、list（l）

列出指定区域(n1到n2之间)的代码： 

(gdb) list n1 n2 
这样,list可以简写为l,将会显示n1行和n2行之间的代码，如果使用-tui启动gdb，将会在相应的位置显示。如果没有n1和n2参数，那么就会默认显示当前行和之后的10行，再执行又下滚10行。另外，list还可以接函数名。 
一般来说在list后面可以跟以下这们的参数： 
<linenum>   行号。 
<+offset>   当前行号的正偏移量。 
<-offset>   当前行号的负偏移量。 
<filename:linenum>  哪个文件的哪一行。 
<function>  函数名。 
<filename:function> 哪个文件中的哪个函数。 
<*address>  程序运行时的语句在内存中的地址。

2、next （n）

*执行下一步： 
(gdb) next 
这样，执行一行代码，如果是函数也会跳过函数。这个命令可以简化为n. 

*执行N次下一步： 
(gdb) next N 

*执行上次执行的命令： 
(gdb) [Enter] 
这里，直接输入回车就会执行上次的命令了。

3、step （s）

*单步进入： 
(gdb) step 
这样，也会执行一行代码，不过如果遇到函数的话就会进入函数的内部，再一行一行的执行。

4、finish

*执行完当前函数返回到调用它的函数： 
(gdb) finish 
这里，运行程序，直到当前函数运行完毕返回再停止。例如进入的单步执行如果已经进入了某函数，而想退出该函数返回到它的调用函数中，可使用命令finish.

5、until（u）

*指定程序直到退出当前循环体： 
(gdb) until 
这里，发现需要把光标停止在循环的头部，然后输入u这样就自动执行全部的循环了。

6、jump

*跳转执行程序到第5行： 
(gdb) jump 5 
这里，可以简写为"j 5"需要注意的是，跳转到第5行执行完毕之后，如果后面没有断点则继续执行，而并不是停在那里了。 
另外，跳转不会改变当前的堆栈内容，所以跳到别的函数中就会有奇怪的现象，因此最好跳转在一个函数内部进行,跳转的参数也可以是程序代码行的地址,函数名等等类似list。

7、return

*强制返回当前函数: 
(gdb) return 
这样，将会忽略当前函数还没有执行完毕的语句，强制返回。return后面可以接一个表达式，表达式的返回值就是函数的返回值。

8、call <expr>

*强制调用函数： 
(gdb) call <expr> 
这里,<expr>可以是一个函数，这样就会返回函数的返回值，如果函数的返回类型是void那么就不会打印函数的返回值,但是实践发现，函数运行过程中的打印语句还是没有被打印出来。

9、print <expr>

*强制调用函数2： 
(gdb) print <expr> 
这里，print和call的功能类似，不同的是，如果函数的返回值是void那么call不会打印返回值，但是print还是会打印出函数的返回值并且存放到历史记录中。

10、break（b）

*在当前的文件中某一行（假设为6）设定断点： 
(gdb) break 6 

*设置条件断点： 
(gdb) break 46 if testsize==100 
这里，如果testsize==100就在46行处断点。 

*在当前的文件中为某一函数(假设为func)处设定断点： 
(gdb) break func 

*给指定文件（fileName）的某个行（N）处设置断点： 
(gdb) break fileName:N 
这里，给某文件中的函数设置断点是同理的。 

*显示当前gdb断点信息： 
(gdb) info breakpoints 
这里，可以简写为info break.会显示当前所有的断点，断点号，断点位置等等。

11、delete

*删除N号断点： 
(gdb) delete N 

*删除所有断点： 
(gdb) delete 

*清除行N上面的所有断点： 
(gdb) clear N

12、watch

*检测表达式变化则停住： 
(gdb) watch i != 10 
这里，i != 10这个表达式一旦变化，则停住。watch <expr> 为表达式（变量）expr设置一个观察点。一量表达式值有变化时，马上停住程序(也是一种断点)。

13、continue （c）

*继续运行程序直接运行到下一个断点： 
(gdb) continue 
这里，如果没有断点就一直运行。

14、backtrace（bt）

*显示当前调用函数堆栈中的函数： 
(gdb) backtrace 
命令产生一张列表，包含着从最近的过程开始的所有有效过程和调用这些过程的参数。当然，这里也会显示出当前运行到了哪里(文件，行)。

15、show language

*查看当前调试程序的语言环境： 
(gdb) show language 
这里，如果gdb不能识别你所调试的程序，那么默认是c语言。

16、info

*查看当前函数的程序语言： 
(gdb) info frame 

*显示当前的调试源文件： 
(gdb) info source 
这样会显示当前所在的源代码文件信息,例如文件名称，程序语言等。 

*查看当前函数的局部变量：
(gdb) info locals

17、print（p）

*print显示变量(var)值： 
(gdb) print var 
这里，print可以简写为p,print 是gdb的一个功能很强的命令，利用它可以显示被调试的语言中任何有效的表达式。表达式除了包含你程序中的变量外，还可以包含函数调用,复杂数据结构和历史等等。 

*用16进制显示(var)值： 
(gdb) print /x var 
这里可以知道，print可以指定显示的格式，这里用'/x'表示16进制的格式。 
可以支持的变量显示格式有： 
x  按十六进制格式显示变量。 
d  按十进制格式显示变量。 
u  按十六进制格式显示无符号整型。 
o  按八进制格式显示变量。 
t  按二进制格式显示变量。 
a  按十六进制格式显示变量。 
c  按字符格式显示变量。 
f  按浮点数格式显示变量。 


*如果a是一个数组，10个元素，如果要显示则： 
(gdb) print *a@10 
这样，会显示10个元素，无论a是double或者是int的都会正确地显示10个元素。 

*修改运行时候的变量值： 
(gdb) print x=4 
这里，x=4是C/C++的语法，意为把变量x值改为4，如果你当前调试的语言是Pascal，那么你可以使用Pascal的语法：x:=4。

18、whatis/ptype

*显示一个变量var的类型： 
(gdb) whatis var 

*以更详细的方式显示变量var的类型： 
(gdb) ptype var 
这里，会打印出var的结构定义。