CPU对软件调试的支持

Posted 2020-11-24 yilang

两期我们分别介绍了通过 INT3指令设置的软件断点 和通过调试寄存器设置 的硬件断点。 除了断点 . 还有一类常用的方法使C P U 中断到调试器 . 这便是调试陷阱标志 (debug trap  f l a g ) 。 也就 是 当这些陷阱标志被设置时， 一旦有符合陷阱条件的事件发生，就会陷入到调试器 。 IA 一3 2 处理器所支持的调试陷阱标志可以概括如下

• 80866就支持的单步执行标志 (标志寄存器E F a g I s 的一位)
• 3 8 6 引入的任务状态陷阱标志(任务状态段TSS 的T标志)
• 奔腾Pro引入 的分支到分支单步执行标志 (D e b u gC t !寄存 器 中的BT F 标志)

下面分别详细介绍 。

单步执行标志 (T F )

从 8 0 8 6 C pU 开始 , x 86 系列处理器的标志(EF Ia g s ) 寄存器 中便有一个陷阱标志位 ( b i t 8 )名为Trap Flag 简称T F。当 T F 位为 1 时 CPU 每执行完一条指令便会产生一个调 试异常 《# DB ) . 中断到调试器的调试异常处理 程序。 这就是 通 常所说 的单步执行 。 调试异常的向量号是 1 因此 T F 标志引发的是 1 号异常服例程 。在 80 86 和 2 8 6 时代 , 这个服务 例程是专门用来处理 单步事件的。 从 3 8 6 开始 . 硬 件断点发.生时也会产生调试异常 . 调 用 1 号服务例程 . 但可利用调试 状态寄存器（DR66 ) 来识别发生的是何种事件 。 为了表达方便我们把因 T F标志 触发的软件异常称 为单步异 常。

单步异常属于陷阱类异常。 也 就是 C P U 总是 在执 行完导致此类异常的指令后 才产生该异常。 这意味 着 当因单步异常中断到调 试器 中时， 导致 该异 常的指令已经执行 完毕 了 。 软件 断点 异常(#BP) 和硬 件断点中的数据及I/O 断点 也是 陷阱类异常. 但是硬 件断点 中的指令访 问异 常是错误类异常 . 也就是当由于此异常而 中断到调试器 时 . 相应调试地址寄存器 DRn中所指地址 处的 指令还 没“执行 。 这是 因为CPU是 在取指操作时进行此类断点 匹配的 。

CPU是何 时检查 TF标志的呢?’IA-32手册的原 文是 "while an instruction is begin executed" 也就 是在执行一个指令的过程 中。 尽管没有说过程 中的哪个阶段 (开 始 、 中间还 是末尾 ) . 可以推测应 该是 一条指令即将执行完毕的时 候 。 也就是说 当CPU在 将执行完一条指令的时候检测TF位 ,如果该位为 1那么 CPU会先清除此位 , 然后准备产生异常。 但 是 这里 有个例外 , 对于 那 些可 以设置 TF 位的指令 (例如 POPF) CPU 不会在执行这些指令期间做以上 检查。 也就是说这些 ,旨令不会立刻产生单步异常 . 而是其后的下一 条指令将 产生单步异常。
因 为 C P U 在进入 异 常 处理 例 程前会 自动 清除 T F标 ，因此 当 CPU中断到调 试 器 中后 再观 察 TF标 志 . 它总是0。

既然调试异常的向量号是 1 ,可 不可 以像 INT 3 那样通过在代码 中插入INT 1 这样的指令来实现手工断点呢 , 对于应用 程序答案是否定的。 INT 3尽 管具有INTn的形式 . 但是它具有独特的单字节机器码 . 而且 其作用就是产生一 个断点异常 一(#BP ) 。 因此 系统对其有特别的对待 .允 许其在用户模式下执行。 而 INT 1则不然， 它属于普通的 INTn 指令 机器码为 CD01。 保护模式下如果执行 INTn指令时,当前的 CPL大于引用的门描述符的DPL。那 么便会导致通 用保 护异常 (# GP) 。 在 W id n o w s 20 0 0 和 x p 这样的操作系统下，INT1对用的中断门描述符的DPL 为 0 . 这要求只有内核模式的代码 才能执 行 IN T 1指令，访 问该中断门。 也就是说 , 用户模 式下 的应用程序没有权利使用INT 1指令 。 一 旦使用就会导致一个一般保护性异常 ( # GP) 。W id n o w s会将其封装为一个访 `问违例错误 (如图2一 2 1 所示 )。 在内核模式 下 可 以在代码 (驱 动程序)中写入INT 1指令。CP U 执行到该指令时会转去执行 1号向量对应的处理例程 , 如果在使用 W in D g b 进行内核级调试. 那 么会中断到W i n o b g 中 . W i n o b g 会以为是发生了一个单 步异常 如 图 1 所示 。

下面谈谈调试高级语言时的单步机制 。 由于高级语言的一条语句通常都对应多条汇编指令 例如 , 表 1 中C+ 十的一条语句= i a 十b* “ + d / e + f / g 十 h对应于 1 5 条汇编语句 。 因此容易想到单 步执行这条C+ + 语句有几种可能方法 。 一种是也用一标志一步 步的走过每条汇编指令 , 这种方 法意味着会产生 1 5 次调试异常 . CPU 中断到调试器 1 5 次.不过中间的 1 4 次都是简单的重 新设 皿起 下F 标志 便让 CPU返 回执行 。 第二种方法是在 C + + 语 句对应 的最后一 条汇编指令处动态插入一 条lN 下 3指令 . 让C P U 一下子 跑到那里 然后 再单步执行一次将被替换的那条 指令执行完 . 这种方 法需要 CPU中断到调试器 两次 。 第三种方法是 在这条 C++ 语句的下一条语 句的第一 条汇编指令处( 即行 18 ) 替换入一 个 N I 下 3 . 这样 C PU 中断到调试器一次就可 以了 。
表 1 : 高级语 言的单步执行

 

 

 

 

 

后两种方法较第一种方法速度会快很多 . 但是不幸的是并不总能正确的预测 出最后高级语言对应的最后一条指令和下一行语句开始指令 (要替换为INT 3 的那一条指令)。比如 2 8 行的 e l s e if (b ) 语句就很难判断出它对应 的最后一条汇编语句 和 下一 条高级 语言语 句的起始指令 。 因此 今天 的大 多数调试器在进行高级语言调试时都是使 用第一种方法来实现 单步跟踪的。关于 TF标志还有一点值得注意： . INTn 和 INTO 指令会清除TF标志 , 因此调试器在单步跟踪这些指令时 . 必须做特别处理。

任务状态陷阱标志

除了标志寄存器中的陷阱标志 (TF ) 位.38 6 引入 了一种新 的调试陷阱标志 任务状态段 (TSS ) 中的T标志。任务状态段 (Ta s k一S t a te S e g m e n t ) 用来记录 一个任务 (CPU 可以独立调度和执行 的程序段 ) 的状态 . 包括通用寄存器的值 . 段寄存器 的值和其它重要信息 。 在任务切换时 , 当前任务的状态会被保存到这个内存段里。当要恢复执行这个任务时 . 会先根据这个 记录来把寄存器 的值恢复回来。 T S S 中 , 在宇节偏移为 10 0 的 1 6 位字 (w o r d ) 的最低位是 调试陷阱标志位 . 简称 T标志 。 T 标志被设置为 1， 那么 当CPU切 换到这个任务时 , 便会产生调试异常。 准确的说CPU 是在程序控制权已经转移到新的任务 , 但还没有开始执行新任务的第一 条指令前产 生异常的。 调试 中断处理程序可 以通过调试状态 寄存器 (DR6 ) 的 BT来识别出发生的是否是任务切换异 常。 值得注意的是 . 如果调试器接管了调试异常处理 . 而且该处理例程 属于一个独立 的任务 , 那 么一定不要设置该任务的TSS段中的 T位。否则便会导致死循环。

分支到分支单步执行标志 ( B T F )

在 lA 一 3 2 处理器 家族中 , 所有的 P e n i t u m Pr o  Pe n t l u m II和 Pe n t . u m III处理器 (包括相应的 C e .e r o n 《赛扬 ) 和 X e o n (至 强 ) 版本) 因为都是基于相 同的 6 P 内核 《C o r e ) . 因此经常被 统称为P6处理器 。 P6处理器引入 了一项新 的对调试非 常有用 的功能 : 记录 分支 、 中断和异 常事件 . 和 针对分 支单步执行(s in g le 一s z e p o n b r a n e h ) 的功能。 奔腾 4 处理器对这一功能又 做了很大增强 。 下面具体介绍一下按分支单步执行的功能和使 用方法 。
首先解释一下分支到分支单步执行的含义 。 前面我们介绍过 , 当 ElF a g s 寄存器的T F 位为 1 时 C PU 每执行完一条指 令便会中断到调试器 . 也就是以指令为单位单步执行 。 顾名思义, 针对分支单步执行就是以分支为单位单步执行 。换句 话说 , 每单步 ( s t ep ) 一次 C P U 会一直执行到有分支 、 中 断或异常发生 。 下面 结合表 2 中的代码进行说明。
那么如何启用按分支单步执行呢? 简单来说 . 就是要 同时设置TF和BTF 标志 。TF 标志位干 E F Ia g s寄存器, 大家已经很 熟悉。 BTF 标志位于名为DebugCtlMSR 寄存器中 。

 

 

 

在V C6 的ID E 环境下(系统的 C PU 应该是 P6 或更高 ),先在第 2 2 行设置一个断点 . 然后按F5 运 行到这个断点位置 。 行 1 9是用来启用按分支单步执行功能的 . 也就是设置BTF 标志. 细节我们等一下再讲。 接下来 . 我们按 F10单步执行 , 会发现一下子会执行到行 3 1 . 从第 2 2 行单步一次执行到第 3 1 行 这便 是按分支单步执行的效果。 那么为什么会执行到第 3 1 行呢? 按照分支到分支单步执行的定义 , CP U 会在执行到下一次分支、 中 断或异常发生时停止。 对于我们的例子 . CP U 在执行第 2 0 行对 应的第一条汇编指令时 , CP U 会检测到 TF 标志 (因为我们是按F10单步执行 . 所以 VC 6 会帮助我们设置TF 标志)。

此外 ,P6及以后的 lA 一 3 2 CP U 还会检变 BTF 标志 . 当发现BTF标志也被设置起时 ， C P U会认为当前是在按分支单步执行 . 所 以会判断当前指令是否是分支指令 , 如果不是 ，CP U 便会继续执 行。 因为第 2 2 行的第一条汇编指令不是分支指令 . 所以 CP U 会 继续执行。 依次类推 . CP U 会连续执行到第 2 4 行的 i f 语句对应的最后一条汇编指令jne (参见表 3 )。 因为这条语句是分支语句 ,所以 CPU会认为已经满足停止执行的条件 , 在清除 , TF 和BTF标志后,产生单步异常中断到调试器 。 中断到调试器时 . 分支语句已经执行完毕 , 但是跳转到的那条语句 (即表 2 中的行 3 1 } 还 没有执行 。

 

对以上过程还有有几 点需要说明:

第一 如果在从第 2 2 行执行到 2 4 行过程中,有中断或异 常发生 , 那么 C P U 也会认为停止单步执行的条件已经满足. 因 此 按分支单步执行的全称是按分支 、 异常和中断单步执行。

第二 , CPU 认为有分支发生的条件是执行以下分支指令 :JM P (无条件跳转), JCC (包括条件跳转指令 , 如 J A 、 J A E、 JNE等等)、L OO P (循环 ) 和 Call（ 函数 / 过程调用 ) 。

第三 , 由于只有内核代码 才能访问MS R 寄存器 (通过RDMSR 和四WRMSR 指令) 所以上面的例子 中 , 在 WriteMSR（）函数中 我们使用一个未公开 的 A p l  ZwSystemDebugControl（）来设置 BTF 标志。