使用bochs和gdb联合调试Linux内核

bochs这个软件准确来说应该叫做“模拟器”,而不是虚拟机,因为VMware等虚拟机是将Guest系统所有的指令都放到真实硬件上执行,而bochs模拟器则是直接用软件模拟硬件的执行,举个例子,在bochs里你可以自定义CPU指令并在汇编里使用,这一条足以说明bochs是多么强大,实在是操作系统开发者首选的利器。

bochs安装

上一篇博文讲了DDD的安装,这一篇博文先将讲bochs的安装,之后再说联合调试。下载bochs解压后进入目录。

./configure --enable-gdb-stub
make
make install

搞定,系统里面又多了一个命令bochs

bochs配置

这里依然使用之前的博文制作出来的hd.img可启动内核镜像,这里面包含2.4.0内核。为了清楚起见我把bochs配置过程在这里再写一遍,这个过程与之前单纯的运行内核时有所不同,之前我们只想运行内核,现在我们要调试内核,所以多了第4步。

  1. 运行bochs命令会出现命令行菜单,选择3. Edit options开始编辑配置,进入12. Disk & Boot options,把4. First HD/CD on channel 0设为hd.img,这个过程需要输入hd.img的一些参数例如柱面数、磁头数、每磁道扇区数,其他的参数保持默认即可。
  2. 然后进入15. Boot Options,把1. Boot drive #1: floppy改为disk。
  3. 内存可以不设置,也可以随便设置下,进入7. Memory options->1. Standard Options->1. RAM size options后,将memory size设为4096,将host memory size设为128。这里的意思是为guest系统模拟出4096M的内存,但是host宿主机为guest分配内存的上限是128M,也就是说"This will fake guest to see the non-existing memory."这就实现了对guest的欺骗,内核一直以为自己拥有4096M内存,但是如果它真的要吃掉4G内存是不可能的,因为它最多能拥有128M,不过内核想访问4G地址处的内存这是可以的,bochs会动态模拟分配内存。
  4. 开启bochs的GDB stub功能,16. Other options->2. GDB Stub Options->1. Enable GDB stub: no,把no改成yes就行了,端口会自动设为1234,Text baseData base以及BSS base都保持默认为0即可。
  5. 返回到最开始的菜单,选择4. Save options to...保存下配置,命名为kdebug.bxrc
  6. 再选6. Begin simulation开始模拟。
  7. 如果跳过第4步,也就是说不开启stub功能,那么Begin simulation后内核会直接启动,直到它因为找不到根文件系统的文件而panic。有了第4步,在Begin simulation后只会弹出一个黑框,什么都不显示,因为此时bochs正在等待gdb连接,bochs需要gdb给它指示,告诉它下一步该怎么执行。

获取带有调试信息的内核文件vmlinux

在内核源码的顶层Makefile里将 CFLAGS_KERNEL = 改为 CFLAGS_KERNEL = -g 给内核加入调试信息。编译后在顶层目录里的vmlinux就是带调试信息的未压缩内核镜像。这个镜像仅供调试使用。

这个vmlinux文件必须放在源码顶层目录里,不能挪动位置,不然调试时无法显示对应的源码信息。这里的源码目录可以是编译完内核过后的源码目录,也可以是完全干净的源码目录。举个例子,我的实验平台是CentOS 6.4和RedHat Linux 7.3构成的,CentOS专门修改和调试内核,RedHat仅负责编译内核,我可以在RedHat上把附带调试信息的内核编译出来,然后将vmlinux文件复制到CentOS上,放到刚解压出来完全干净的源码顶层目录里,这样是完全没有问题的。我之所以不选择将编译完内核后的整个目录直接复制到CentOS上是因为这么做实在是太慢了,130M的大小,那么多文件,压缩和复制都挺麻烦的。解压一份新源码,将vmlinux放进去,这多快,多方便。

祭出你的宇宙最强调试器——DDD!

最激动人心的时刻来了,命令行切换到源码目录里,再输入ddd vmlinux,DDD就打开了,在界面源码框里可以看到源码。

  1. 在界面最下方的gdb命令行上输入break start_kernel,在刚进入C语言函数处设个断点。
  2. 然后继续在gdb命令行上输入target remote localhost:1234,这是让gdb连接bochs以便进一步指导bochs如何运行。(温馨提示:在gdb命令行窗口里点右键没有粘贴选项,因为Paste选项在DDD主窗口的Edit菜单里)
  3. 在gdb命令行输入c,告诉bochs持续运行直到被断点中断。
  4. 在bochs那个黑框界面上应该能看到内核解压的信息提示Uncompressing Linux... OK, booting the kernel,然后就到达断点处了。
  5. 之后该怎么调试就和调试一般的C语言程序一样了。
  6. 借助DDD的力量我们可以很方便的看到源码,并且可以清晰的看到到底运行到哪一行了,想要查看数据结构也是极其地方便,还可以对数据进行图形化显示。

结语

总的来说,bochs+DDD这样的神级组合就是为开发操作系统而生的,称之为宇宙最强应该不会有什么问题。

参考资料:
http://bochs.sourceforge.net/doc/docbook/user/bochsrc.html#BOCHSOPT-MEMORY

3/14/2016 10:16:57 PM 初步完稿
3/15/2016 5:33:17 PM 校对笔误

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