调试Linux内核环境MenuOS系统

Posted 2020-11-23 muzimu233

调试Linux内核环境MenuOS系统

一、实验简介

本文采用自己搭建环境的方式对gdb进行了模拟。

（1）工具介绍

1）QEMU介绍

QEMU是一个主机上的VMM（virtual machine monitor）,通过动态二进制转换来模拟CPU，并提供一系列的硬件模型，使guest os认为自己和硬件直接打交道，其实是同QEMU模拟出来的硬件打交道，QEMU再将这些指令翻译给真正硬件进行操作。通过这种模式，guest os可以和主机上的硬盘，网卡，CPU，CD-ROM，音频设备和USB等设备进行交互。

2）BusyBox介绍

     Busybox中包含了linux中的很多指令，Busybox是一个开源项目，遵循GPL v2协议。Busybox将众多的UNIX命令集合进一个很小的可执行程序中，可以用来替代GNU fileutils、shellutils等工具集。Busybox中各种命令与相应的GNU工具相比，所能提供的选项比较少，但是也足够一般的应用了。

（2）建立环境的几个重要步骤

1）安装编译工具链。

2）安装qemu模拟器

3）编译arm架构内核

4）测试qemu是否正常启动

5）制作文件系统，本实验采用下载下来的根文件系统

6）启动系统，测试gdb的服务端和客户端。

嵌入式开发由以下几个步骤完成。

 

 

 

（3）gdbServer原理

目标机器需要运行程序和 gdbserver，宿主机器需要编译环境代码和 gdb。当完成设置时，gdbserver开始监听1234端口，这个端口号应该是用来和宿主机进行通讯。

嵌入式Linux的GDB调试环境由Host和Target两部分组成，Host端使用arm－linux－gdb，Target Board端使用gdbserver。调试时，应用程序在嵌入式目标系统上运行，而gdb调试在Host端。gdb调试的时候，pc机上的gdb向开发板上的gdbserver发出命令，而开发板上的gdbserver就会向应用程序发出信号，使应用程序停下来或者完成其他一些工作。

host是运行gdb的机器
target是运行gdbserver的机器
gdbserver提供一个网络服务，gdb remote到gdbserver上后进行调试

二、配置内核

1、下载linux内核

利用linux内核镜像的镜像源，能够利用更快的下载。

https://mirror.bjtu.edu.cn/kernel/linux/kernel/

 

 

 

对下载的文件进行解压处理

xz -d linux-5.0.1.tar.xz

tar -xvf linux-5.0.1.tar

cd linux-5.0.1

 

 

在安装内核时需要相应的编译环境，安装内核编译工具。

sudo apt install build-essential flex bison libssl-dev libelf-dev libncurses-dev

对内核进行设置并编译。

make defconfig

make menuconfig

Kernel hacking—>Compile-time checks and compiler options  ---> [*] Compile the kernel with debug info

make编译。

 

在这里可以使用 /etc/apt/sources.list进行配置，更换源后使用更新sudo apt-get update。

最后使用启动qemu进行配置文件，启动内核，发现内核能进行编译但是不能进行正常的初始化。

 

 

 

三、制作根文件系统

1、方法一：由制作好的MenuOS

make defconfig          #按照默认值生成.config

make i386_defconfig     #生成32位x86的配置文件，x86_64_defconfig为64为配置

 

原有的根文件系统对应的linuxkernel是针对的3.18版本，需要将其修改成对应的5.1.0版本。

cd menu

sudo apt-get install libc6-dev-i386 # 在64位环境下编译32位需安装

修改qemu进行配置时，需要对qemu文件进行配置。

其中对makefile文件进行了修改：

Vi makefile

qemu -kernel ./linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd ./rootfs.img  -s -S

qemu -kernel LinuxKernel/linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img

make rootfs##制作根文件系统。

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.0.1/arch/x86_64/boot/bzImage  -initrd rootfs.img

 

发现QEMU正常启动。

 

 

 

2、方法二：采用Busybox并制作根文件系统影像

下载对应的包

wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.30.1.tar.bz2

 tar -xvf busybox-1.30.1.tar.bz2

make help可以得到一些编译busybox的帮助信息

make defconfig

make menuconfig修改如下配置：

enable：Settings –> build options –> build busybox as a static binary（no share libs）

make

dd if=/dev/zero of=rootfs.img bs=1M count=128

mkfs.ext4 rootfs.img

mkdir rootfs

sudo mount -o loop rootfs.img rootfs

在busybox目录下

 

sudo make CONFIG_PREFIX=../rootfs/ install

 

在../rootfs/etc/network/interfaces添加lo设备，可以直接拷贝ubuntu下的/etc/network/interfaces

sudo umount rootfs

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.0.1/arch/x86_64/boot/bzImage -hda rootfs.img -append "root=/dev/sda init=/bin/ash"

此方法与方法一得到的结果相同

 

四、构建Linux内核的gdb调试环境

创建客户端

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.0.1/arch/x86_64/boot/bzImage -hda rootfs.img -append "root=/dev/sda init=/init nokaslr" -s -S

可以看到在新打开的qemu虚拟机上，整个是一个黑屏，此时qemu在等待gdb的连接

关于-s和-S选项的说明

-S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)

-s shorthand for -gdb tcp::1234 若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

nokaslr KASLR是kernel address space layout randomization的缩写

Gdb server在需安装的开发版上配置信息

在gdb界面中targe remote之前加载符号表

file linux-5.0.1/vmlinux

 

 

 当按下c进行控制时，qemu显示界面如图所示。

 

 

 

 

在gdb界面中设置断点

break start_kernel #断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

在设置好start_kernel处断点并且target remote之后可以继续运行，则在运行到start_kernel的时候会停下来，等待gdb调试命令的输入，可以使用list来显示断点处相关的源代码

此后可以继续设置新的断点，...

下面在在start_kernel、sys_socketcall位置设置了断点。

 

 

 

 此时出现了gdb设置的断点在qemu中无效的问题，而系统直接启动，gdb陷入等待，具体原因未知。

最后发现设置qemu命令-append nokaslr即可：

qemu -kernel ./linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S -append nokaslr

 该参数解释如下：猜测可能是由于系统内核版本很新，而相应的gdb不能对其起到完全的作用。

 

 

 

 

 

 

 

五、测试hello hi程序

安装具有hello 和hi 项目的git文件git clone https://github.com/mengning/linuxnet.git

设置linux-5.0.1然后进入 menu,我们写了一个脚本 rootfs，运行 make rootfs，脚本就可以帮助我们自动编译、自动生成根文件系统，还会帮我们运行起来 MenuOS 系统。

详细命令如下：

cd ~/LinuxKernel  

git clone https://github.com/mengning/linuxnet.git

cd linuxnet/lab2

make

cd ../../menu/

cd ~/LinuxKernel/linuxnet/lab3

sudo vi makefile

make rootfs

 

其中lab2是已编辑好的tcp程序，包含一个hello和hi文件。

此时观察makefile文件，发现其中存在hello.c文件已经被静态链接。

qemu -kernel ./linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s –S

其中我们增加了命令 replyhi，功能是回复 hi 的 TCP 服务。gdbserver在等待客户端（host）发送信息

 

 

 

参考：GDBserver的使用https://www.cnblogs.com/blogs-of-lxl/p/10462262.html

   QEMU设置断点无效问题： https://www.zhihu.com/question/270476360