：Linux设备驱动的调试

Posted 2022-12-08 zcj仲从建

21.1 GDB调式的方法

• GDB的四个功能：

  • 启动程序，可以按照工程师自定义的要求运行程序
  • 让被调使得程序可以在指定的地方停住，断点可以是条件表达式
  • 当程序停住时，可以检查此程序发生的事，并追踪上文
  • 动态的改变程序的执行环境

• 调式内核和应用程序时调试的命令是相同的

• 基本命令

  • list命令（缩写l）：列出代码
    
    • list ，显示程序第linenum行周围的源代码
    • list ，显示函数名为function的函数源程序
    • list，显示当前行前后的源程序
    • list -，显示当前行前面的源程序
    • run命令：运行程序
    • 程序运行参数
      
      • set args：指定运行时的参数，如set args 10 20 30
      • show args：查看设置好的运行参数
    • 运行环境
      
      • path ：设定程序的运行路径
      • how paths：查看程序的运行路径
      • set environment varname[=value]：设置环境变量，如set env USER=baohua;
      • show environment[varname]：查看环境变量
    • 工作目录
      
      • cd ：相当于shell的cd命令
      • pwd：显示当前所在的目录
    • 程序的输入输出
      
      • info terminal：显示程序用到的终端的模式
      • run>outfile：重定向控制程序输出
      • tty：指定输入的终端设备，如tty/dev/ttyS1
  • break命令
    
    • break：在进入指定函数时停住
    • break：指定行号停住
    • break+offset/break-offset：当前 行号的前面或者后面offset行停住
    • break filename:linenum：在源文件filename的linenum行处停住
    • break filename:function：在源文件filename的function函数处停住
    • break*address：在程序运行的内存地址处停住
    • break：break命令没有参数时，表示在下一条指令处停住
    • beak…if：…可以是上述的break、break+offset/break-offset中的参数，condition表示条件，在条件成立时停住
      
      • 例如：在循环体中，可以设置break if i=100，表示当i为100时停住程序
    • info：查看断点，如info breakpoints[n]、info break[n]（n表示断点号）
  • 单步命令
    
    • step：单步跟踪，如果有函数调用，则进入该函数（进入该函数的前提是，此函数被编译有debug信息），默认一条条执行，加上count，执行后面count指令然后停止
    • next：单步跟踪，有函数则跳过，不加count，一条条执行，加上count则执行后面count条之后停住
    • set step-mode：set step-mode on用于打开step-mode模式
      
      • 在进行step时，若跨过某没有调试信息的函数，程序的执行会在该函数的第一条指令处停住，而不会跳过整个函数，这样可以查看该函数的机器指令
    • finish：运行程序，直到当前函数完成返回，并打印函数返回时的堆栈地址、返回值及参数值等信息
    • until（缩写为u）：一直在循环体内执行单步而退步出来是一件令人烦恼的事情，用until命令可以运行程序直到退出循环体
    • stepi(缩写为si)和nexti(缩写为ni)：这两个命里用于单步跟踪一条机器指令，step和next时C语言级别的命令
      
      • 运行display/i $pc命令之后，单步跟踪会在大厨程序代买的同时打出机器指令，即汇编代码
    • continue命令：当程序被停住后，可以用continue命令（缩写为c，fg命令同continue命令）恢复程序的执行直到程序结束，或到达下一个断点
      
      • 命令格式为：continue/c/fg [ignore-count]，ignore-count表示忽略其后多少次断点
      • 例如：假设设置了函数断点add()，并观察i，则在continue过程中，每次遇到add()函数或者i发生变化，程序就会停住
    • print命令：再掉是程序时，当程序被停住时，可以使用print命令（缩写为p），或是同义命令inspect来查看当前程序的运行数据
      
      • 命令格式：print print / 其中是表达式，也是被调试的程序总的表达式，时输出的格式，比如，如果表达式按十六进制输出，则时/x
        
        • 表达式中，有几种GDB所支持的操作符，他们可以用在任何一种语言中
          
          • @：是一个和数组有关的操作符
          • :: ：指定一个在文件或是函数中的变量
          • ：表示一个指向内存地址的类型为type的对象
          • 例1：演示了查看sum[]数组的值的过程
      • 当需要查看一段连续内存空间的值时，可以使用GDB的@操作符，@的左边是第一个内存地址，@的右边是想查看内存的长度
        
        • 例2：动态申请内存
      • 输出格式：
        
        • x：十六进制
        • d：十进制
        • u：按十六进制，显示无符号整型
        • o：八进制
        • t：二进制
        • a：十六进制
        • c：字符格式
        • f：浮点数格式
      • display命令：设置一些自动显示的变量，当程序停住时，或是单步跟踪时，这些变量会自动显示
      • 修改变量：print 变量=值
      • 当GDB的print查看程序运行时的数据时，每个print都会被GDB记录下来。GDB会以$1，$2，$3。。。这样的方式为每一个print命令编号，可以用这个编号访问前面的表达式
    • watch命令：观察某个表达式（变量也是一种表达式）的值是否有了变化，有则马上停止运行
      
      • watch：为表达式expr设置一个观察点，一旦这个表达式发生了变化则停止运行
      • rwatch：当表达式（变量）被读时，停止程序执行
      • awatch：当表达式（变量）的值被读或者被写时，停止运行
      • info watchpoints：列出当前所设置的所有观察点
    • examine命令：查看内存地址中的值
      
      • 语法：x/

**//例1：**
(gdb) print sum
$2 = 133, 155, 0, 0, 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0
(gdb) next

Breakpoint 1, main () at gdb-example.c:25
25         sum[i] = add(array1[i], array2[i]):
(gdb) next
23         for(i = 0; i< 10; i++)
(gdb) print sum
$3 = (133, 155, 143, 0, 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0

//例2：
int *array = (int *) malloc (len * sizeof(int));
在GDB调试过程中个，这样实现这个动态数组的值：
p *array@len

//例3：
main()

    void *p = malloc(16);
    while(1);

//用如下命令来修改p指向的内存
(gdb) set *(unsigned char *)p='h'
(gdb) set *(unsigned char *)p='e'
(gdb) set *(unsigned char *)p='l'
(gdb) set *(unsigned char *)p='l'
(gdb) set *(unsigned char *)p='e'
//查看结果
（gdb） x/s p
0x804b008 "hello"
//查看函数func反汇编代码
(gdb) disassemble func
Dump of assembler code for function func:
0x8048450 <func>:    push  %ebp
0x8048451 <func+1> mov   %esp,%ebp
...

21.2 内核调试

21.2.1 内核打印信息—-printk()

• 内核打印语句printk()会将内核信息输出到内核信息缓冲区中，内核缓冲区时候在kernel/printk.c中通过以下语句静态定义：
  
  • 内核缓冲区是一个环形缓冲区（Ring Buffer），如果消息过多，则会将之前的消息冲刷掉

static char __log_buf[__LOG_BUF_LEN] __aligned(LOG_ALIGN);

• printk()的8个消息级别，分别是0~7，级别越低（数值越大），消息越不重要，0级时紧急事件级，7级时调试级

  • #define KERN_EMERG “<0>”：紧急事件，一般是系统崩溃前的提示信息
  • #define KERN_ALERT “<1>”：必须立即采取行动
  • #define KERN_CRIT “<2>”：临界状态，通常涉及严重的硬件或软件操作失败
  • #define KERN_ERR “<3>”：用于报告错误状态，设备驱动程序会经常调用KERN_ERR来报告来自硬件的问题
  • #define KERN_WARNING “<4>”：对可能出现问题的情况进行警告，这类情况通常不会对系统造成严重的问题
  • #define KERN_NOTICE “<5>”：有必要进行提示的正常情形，许多与安全相关的状况用这个级别进行汇报
  • #define KERN_INFO “<6>”：内核提示信息，很多驱动程序在启动的时候，用这个级别打印他们找到的硬件信息
  • #define KERN_DEBUG “<7>”：用于调试

• 通过/proc/sys/kernel/printk文件可以调节printk()的输出等级，该文件有4个等级

  • 控制台日志级别：当前的打印级别，优先级高于该值的信息将被打印纸控制台
  • 默认的信息日志级别：将用该优先级来打印没有优先级前缀的消息，也就是直接写printk(“xxx”)而不带打印级别的情况下，会用该级别打印
  • 最低的控制台日志级别：控制台日志级别可被设置的最小值（一般都是1）
  • 默认的控制台日志级别：控制台日志级别的默认值
    
    • 例5：Ubuntu上的输出级别

//例5：Ubuntu上的输出级别
$ cat /proc/sys/kernel/printk
4   4   1   7

• 显示内核打印信息方法

  • 通过dmesg命令，如果使用dmesg -c命令，则不仅会显示__log_buf，还会清除该缓冲区的内容
  • 使用cat /proc/kmsg 命令，/proc/kmsg是一个“永无休止的文件”，因此，cat /porc/kmsg的进程只能通过“Ctrl+C”或kill终止

• 设备驱动中的调试函数

  • pr_debug()，pr_info()
    
    • 使用pr_xxx()族API的好处是，可以在文件开头通过pr_fmt()定义一个打印格式
    • 例6：在kernel/watchdog.c的最开头通过如下定义可以保证之后watchdog.c调用的所有pr_xxx()打印的消息都自动带有“NMI watchdog: ”的前缀
  • dev_debug()：如dev_dbg()、dev_err()、dev_info()等
    
    • 使用dev_xxx()族API打印的时候，设备名称会被自动加到打印消息的前头
    • 打印的附加信息，例7
      
      • func：输出printk()调用所在的函数名
      • LINE：输出其所在的代码行
      • FILE：输出源代码命令名

//pr_debug()与pr_info()定义
#ifdef DEBUG
#define pr_debug(fmt,arg...) \\
    printk(KERN_DEBUG fmt,##arg)
#else
static inline int __attribute__ ((format (printf,1,2))) pr_debug(cost char * fmt, ...)

    return 0;

#endif

#define pr_infor(fmt,arg ...) \\
    printk(KERN_INFO fmt, ##arg)

//例6:
#define pr_fmt(fmt) "NMI watchdog: " fmt

#include <linux/mm.h>
#include <linux/cpu.h>
#include <linux/nmi.h>
...
//例7：
printk(KERN_ERR "Assertion failed! %s,%s,%s,line=%d", #expr, __FILE__, __func__, LINE);

21.2.2 DEBUG_LL和EARLY_PRINTK

• DEBUG_LL对应内核的Kernel low-level debugging功能，EARLY_PRINTK对应内核中一个早起的控制台
  
  • 为了在内核的drivers/serial下的控制台驱动初始化之前支持打印，可以选择上述两个配置项，另外需要在bootargs中设置earlyprintk的选项

21.2.3 使用“/proc”

• “/proc”是一个虚拟文件系统，通过它可以在Linux内核空间和用户控件之间进行通信
  
  • 在“/proc”文件系统中，可以将对虚拟文件的读写作为与内核中实体进行通信的一种手段，这些虚拟文件的内容都是动态的
  • “/proc”下的绝大多数文件是只读的，以显示内核信息为主，也不都是只读，如修改/proc/sys/kernel/printk以改变printk()的打印级别
  • Linux系统的许多命令本身都是通过分析”/proc”下的文件来完成的，如ps、top等，例如，free命令通过分析/proc/meminfo文件的到可用内存信息

21.2.4 Oops

• 内核出现类似用户空间的Segmentation Fault时，Oops会被打印到控制台和写入内核log缓冲区
  
  • 反汇编一个目标文件：arm-linux-gnueabihf-objdump -d -s xxx.o

21.2.5 BUG_ON()和WARN_ON()

• 内核中许多地方调用类似BUG()的语句，它非常像一个内核运行时的断言，以为这本来不该执行到BUG()这条语句，一旦执行到即跑出Oops
  
  • BUG()语句定义如下：
    
    • panic()定义在kernel/panic.c中，会导致内核崩溃，并打开Oops

#define BUG()  do  \\
    printk("BUG: failure at %s:%d/%s()!\\n", __FILE__, __LINE__, __func__"); \\
    panic("BUG!");
while(0)

• BUG_ON()：时BUG()的变体，只有当括号内的条件成立的时候，才抛出Oops
• WARN_ON()：在括号里的条件成立的时候，内核会抛出栈回溯，但是不会panic()，这通常用于内核抛出一个警告，暗示某种不太合理的事情发生了

21.2.8 strace

• strace是个有效的跟踪工具，它的主要特点是可以被用来监视系统调用
  
  • 既可以调试一个新开始的程序，也可以调试一个已经在运行的程序（这意味着把strace绑定到一个已有的PID上）