Linux 系統內核的調試

2019-11-17 04:58:06

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linux 系統內核的調試

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李樹雷 , 清華大學計算機系碩士研究生
陳渝 , 清華大學
2005 年 12 月 18 日

本文將首先介紹 Linux 內核上的一些內核代碼監視和錯誤跟蹤技術，這些調試和跟蹤方法因所要求的使用環境和使用方法而各有不同，然后重點介紹三種 Linux 內核的源代碼級的調試方法。

調試是軟件開發過程中一個必不可少的環節，在 Linux 內核開發的過程中也不可避免地會面對如何調試內核的問題。但是，Linux 系統的開發者出于保證內核代碼正確性的考慮，不愿意在 Linux 內核源代碼樹中加入一個調試器。他們認為內核中的調試器會誤導開發者，從而引入不良的修正[1]。所以對 Linux 內核進行調試一直是個令內核程序員感到棘手的問題，調試工作的艱苦性是內核級的開發區別于用戶級開發的一個顯著特點。盡管缺乏一種內置的調試內核的有效方法，但是 Linux 系統在內核發展的過程中也逐漸形成了一些監視內核代碼和錯誤跟蹤的技術。同時，許多的補丁程序應運而生，它們為標準內核附加了內核調試的支持。盡管這些補丁有些并不被 Linux 官方組織認可，但他們確實功能完善，十分強大。調試內核問題時，利用這些工具與方法跟蹤內核執行情況，并查看其內存和數據結構將是非常有用的。本文將首先介紹 Linux 內核上的一些內核代碼監視和錯誤跟蹤技術，這些調試和跟蹤方法因所要求的使用環境和使用方法而各有不同，然后重點介紹三種 Linux 內核的源代碼級的調試方法。 1. Linux 系統內核級軟件的調試技術 PRintk() 是調試內核代碼時最常用的一種技術。在內核代碼中的特定位置加入printk() 調試調用，可以直接把所關心的信息打打印到屏幕上，從而可以觀察程序的執行路徑和所關心的變量、指針等信息。 Linux 內核調試器（Linux kernel debugger，kdb）是 Linux 內核的補丁，它提供了一種在系統能運行時對內核內存和數據結構進行檢查的辦法。Oops、KDB在文章把握 Linux 調試技術有具體介紹，大家可以參考。 Kprobes 提供了一個強行進入任何內核例程，并從中斷處理器無干擾地收集信息的接口。使用 Kprobes 可以輕松地收集處理器寄存器和全局數據結構等調試信息，而無需對Linux內核頻繁編譯和啟動，具體使用方法，請參考使用 Kprobes 調試內核。以上介紹了進行Linux內核調試和跟蹤時的常用技術和方法。當然，內核調試與跟蹤的方法還不止以上提到的這些。這些調試技術的一個共同的特點在于，他們都不能提供源代碼級的有效的內核調試手段，有些只能稱之為錯誤跟蹤技術，因此這些方法都只能提供有限的調試能力。下面將介紹三種實用的源代碼級的內核調試方法。
Linux 系統內核的調試（圖五）

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2. 使用KGDB構建Linux內核調試環境 kgdb提供了一種使用 gdb調試 Linux 內核的機制。使用KGDB可以象調試普通的應用程序那樣，在內核中進行設置斷點、檢查變量值、單步跟蹤程序運行等操作。使用KGDB調試時需要兩臺機器，一臺作為開發機（Development Machine）,另一臺作為目標機（Target Machine），兩臺機器之間通過串口或者以太網口相連。串口連接線是一根RS-232接口的電纜，在其內部兩端的第2腳（TXD）與第3腳（RXD）交叉相連，第7腳（接地腳）直接相連。調試過程中，被調試的內核運行在目標機上，gdb調試器運行在開發機上。
目前，kgdb發布支持i386、x86_64、32-bit PPC、SPARC等幾種體系結構的調試器。有關kgdb補丁的下載地址見參考資料[4]。 2．1 kgdb的調試原理 安裝kgdb調試環境需要為Linux內核應用kgdb補丁，補丁實現的gdb遠程調試所需要的功能包括命令處理、陷阱處理及串口通訊3個主要的部分。kgdb補丁的主要作用是在Linux內核中添加了一個調試Stub。調試Stub是Linux內核中的一小段代碼，提供了運行gdb的開發機和所調試內核之間的一個媒介。gdb和調試stub之間通過gdb串行協議進行通訊。gdb串行協議是一種基于消息的ASCII碼協議，包含了各種調試命令。當設置斷點時，kgdb負責在設置斷點的指令前增加一條trap指令，當執行到斷點時控制權就轉移到調試stub中去。此時，調試stub的任務就是使用遠程串行通信協議將當前環境傳送給gdb，然后從gdb處接受命令。gdb命令告訴stub下一步該做什么，當stub收到繼續執行的命令時，將恢復程序的運行環境，把對CPU的控制權重新交還給內核。

Linux 系統內核的調試（圖七）

2．2 Kgdb的安裝與設置 下面我們將以Linux 2.6.7內核為例具體介紹kgdb調試環境的建立過程。 2.2.1軟硬件預備 以下軟硬件配置取自筆者進行試驗的系統配置情況：

Linux 系統內核的調試（圖八）

kgdb補丁的版本遵循如下命名模式：Linux-A-kgdb-B，其中A表示Linux的內核版本號，B為kgdb的版本號。以試驗使用的kgdb補丁為例，linux內核的版本為linux-2.6.7，補丁版本為kgdb-2.2。物理連接好串口線后，使用以下命令來測試兩臺機器之間串口連接情況，stty命令可以對串口參數進行設置：在development機上執行：

stty ispeed 115200 ospeed 115200 -F /dev/ttyS0
在target機上執行：

stty ispeed 115200 ospeed 115200 -F /dev/ttyS0
在developement機上執行：

echo hello > /dev/ttyS0
在target機上執行：

cat /dev/ttyS0
假如串口連接沒問題的話在將在target機的屏幕上顯示"hello"。 2．2．2 安裝與配置 下面我們需要應用kgdb補丁到Linux內核，設置內核選項并編譯內核。這方面的資料相對較少，筆者這里給出具體的介紹。下面的工作在開發機（developement）上進行，以上面介紹的試驗環境為例，某些具體步驟在實際的環境中可能要做適當的改動： I、內核的配置與編譯

[root@lisl tmp]# tar -jxvf linux-2.6.7.tar.bz2[root@lisl tmp]#tar -jxvf linux-2.6.7-kgdb-2.2.tar.tar[root@lisl tmp]#cd inux-2.6.7

請參照目錄補丁包中文件README給出的說明，執行對應體系結構的補丁程序。由于試驗在i386體系結構上完成，所以只需要安裝一下補?。篶ore-lite.patch、i386-lite.patch、8250.patch、eth.patch、core.patch、i386.patch。應用補丁文件時，請遵循kgdb軟件包內series文件所指定的順序，否則可能會帶來預想不到的問題。eth.patch文件是選擇以太網口作為調試的連接端口時需要運用的補丁。應用補丁的命令如下所示：

[root@lisl tmp]#patch -p1 <../linux-2.6.7-kgdb-2.2/core-lite.patch
假如內核正確，那么應用補丁時應該不會出現任何問題（不會產生*.rej文件）。為Linux內核添加了補丁之后，需要進行內核的配置。內核的配置可以按照你的習慣選擇配置Linux內核的任意一種方式。

[root@lisl tmp]#make menUConfig
在內核配置菜單的Kernel hacking選項中選擇kgdb調試項，例如：

  [*] KGDB: kernel debugging with remote gdb                                                                    Method for KGDB communication (KGDB: On generic serial port (8250))  --->    [*] KGDB: Thread analysis                                                                              [*] KGDB: Console messages through gdb[root@lisl tmp]#make

編譯內核之前請注重Linux目錄下Makefile中的優化選項，默認的Linux內核的編譯都以-O2的優化級別進行。在這個優化級別之下，編譯器要對內核中的某些代碼的執行順序進行改動，所以在調試時會出現程序運行與代碼順序不一致的情況。可以把Makefile中的-O2選項改為-O,但不可去掉-O，否則編譯會出問題。為了使編譯后的內核帶有調試信息，注重在編譯內核的時候需要加上-g選項。不過，當選擇"Kernel debugging->Compile the kernel with debug info"選項后配置系統將自動打開調試選項。另外，選擇"kernel debugging with remote gdb"后，配置系統將自動打開"Compile the kernel with debug info"選項。內核編譯完成后，使用scp命令進行將相關文件拷貝到target機上(當然也可以使用其它的網絡工具，如rcp)。

[root@lisl tmp]#scp arch/i386/boot/bzImage root@192.168.6.13:/boot/vmlinuz-2.6.7-kgdb[root@lisl tmp]#scp System.map root@192.168.6.13:/boot/System.map-2.6.7-kgdb

假如系統啟動使所需要的某些設備驅動沒有編譯進內核的情況下，那么還需要執行如下操作：

[root@lisl tmp]#mkinitrd /boot/initrd-2.6.7-kgdb 2.6.7[root@lisl tmp]#scp initrd-2.6.7-kgdb root@192.168.6.13:/boot/ initrd-2.6.7-kgdb

II、kgdb的啟動在將編譯出的內核拷貝的到target機器之后，需要配置系統引導程序，加入內核的啟動選項。以下是kgdb內核引導參數的說明：

Linux 系統內核的調試（圖九）

如表中所述，在kgdb 2.0版本之后內核的引導參數已經與以前的版本有所不同。使用grub引導程序時，直接將kgdb參數作為內核vmlinuz的引導參數。下面給出引導器的配置示例。

title 2.6.7 kgdbroot (hd0,0)kernel /boot/vmlinuz-2.6.7-kgdb ro root=/dev/hda1 kgdbwait kgdb8250=1,115200
在使用lilo作為引導程序時，需要把kgdb參放在由append修飾的語句中。下面給出使用lilo作為引導器時的配置示例。

image=/boot/vmlinuz-2.6.7-kgdblabel=kgdb read-only root=/dev/hda3append="gdb gdBTtyS=1 gdbbaud=115200"
保存好以上配置后重新啟動計算機，選擇啟動帶調試信息的內核，內核將在短暫的運行后在創建init內核線程之前停下來，打印出以下信息，并等待開發機的連接。 Waiting for connection from remote gdb... 在開發機上執行：

gdbfile vmlinuxset remotebaud 115200target remote /dev/ttyS0
其中vmlinux是指向源代碼目錄下編譯出來的Linux內核文件的鏈接，它是沒有經過壓縮的內核文件，gdb程序從該文件中得到各種符號地址信息。這樣，就與目標機上的kgdb調試接口建立了聯系。一旦建立聯接之后，對Linux內的調試工作與對普通的運用程序的調試就沒有什么區別了。任何時候都可以通過鍵入ctrl+c打斷目標機的執行，進行具體的調試工作。在kgdb 2.0之前的版本中，編譯內核后在arch/i386/kernel目錄下還會生成可執行文件gdbstart。將該文件拷貝到target機器的/boot目錄下，此時無需更改內核的啟動配置文件，直接使用命令：

[root@lisl boot]#gdbstart -s 115200 -t /dev/ttyS0
可以在KGDB內核引導啟動完成后建立開發機與目標機之間的調試聯系。 2．2．3 通過網絡接口進行調試 kgdb也支持使用以太網接口作為調試器的連接端口。在對Linux內核應用補丁包時，需應用eth.patch補丁文件。配置內核時在Kernel hacking中選擇kgdb調試項，配置kgdb調試端口為以太網接口，例如：

[*]KGDB: kernel debugging with remote gdbMethod for KGDB communication (KGDB: On ethernet)  ---> ( ) KGDB: On generic serial port (8250)(X) KGDB: On ethernet

另外使用eth0網口作為調試端口時，grub.list的配置如下：

title 2.6.7 kgdbroot (hd0,0)kernel /boot/vmlinuz-2.6.7-kgdb ro root=/dev/hda1 kgdbwait kgdboe=@192.168.5.13/,@192.168. 6.13/

其他的過程與使用串口作為連接端口時的設置過程相同。注重：盡管可以使用以太網口作為kgdb的調試端口，使用串口作為連接端口更加簡單易行，kgdb項目組推薦使用串口作為調試端口。 2．2．4 模塊的調試方法 內核可加載模塊的調試具有其非凡性。由于內核模塊中各段的地址是在模塊加載進內核的時候才最終確定的，所以develop機的gdb無法得到各種符號地址信息。所以，使用kgdb調試模塊所需要解決的一個問題是，需要通過某種方法獲得可加載模塊的最終加載地址信息，并把這些信息加入到gdb環境中。 I、在Linux 2.4內核中的內核模塊調試方法在Linux2.4.x內核中，可以使用insmod -m命令輸出模塊的加載信息，例如：

[root@lisl tmp]# insmod -m hello.ko >modaddr
查看模塊加載信息文件modaddr如下：

.this           00000060  c88d8000  2**2.text           00000035  c88d8060  2**2.rodata         00000069  c88d80a0  2**5&hellip;….data           00000000  c88d833c  2**2.bss            00000000  c88d833c  2**2……

在這些信息中，我們關心的只有4個段的地址:.text、.rodata、.data、.bss。在development機上將以上地址信息加入到gdb中,這樣就可以進行模塊功能的測試了。

(gdb) Add-symbol-file hello.o 0xc88d8060 -s .data 0xc88d80a0 -s .rodata 0xc88d80a0 -s .bss 0x c88d833c
這種方法也存在一定的不足，它不能調試模塊初始化的代碼，因為此時模塊初始化代碼已經執行過了。而假如不執行模塊的加載又無法獲得模塊插入地址，更不可能在模塊初始化之前設置斷點了。對于這種調試要求可以采用以下替代方法。在target機上用上述方法得到模塊加載的地址信息，然后再用rmmod卸載模塊。在development機上將得到的模塊地址信息導入到gdb環境中，在內核代碼的調用初始化代碼之前設置斷點。這樣，在target機上再次插入模塊時，代碼將在執行模塊初始化之前停下來，這樣就可以使用gdb命令調試模塊初始化代碼了。另外一種調試模塊初始化函數的方法是：當插入內核模塊時，內核模塊機制將調用函數sys_init_module(kernel/modle.c)執行對內核模塊的初始化，該函數將調用所插入模塊的初始化函數。程序代碼片斷如下：

…… …… if (mod->init != NULL) ret = mod->init();…… ……

在該語句上設置斷點，也能在執行模塊初始化之前停下來。 II、在Linux 2.6.x內核中的內核模塊調試方法 Linux 2.6之后的內核中，由于module-init-tools工具的更改，insmod命令不再支持-m參數，只有采取其他的方法來獲取模塊加載到內核的地址。通過分析ELF文件格式，我們知道程序中各段的意義如下： .text（代碼段）：用來存放可執行文件的操作指令，也就是說是它是可執行程序在內存種的鏡像。 .data（數據段）：數據段用來存放可執行文件中已初始化全局變量，也就是存放程序靜態分配的變量和全局變量。 .bss（BSS段）：BSS段包含了程序中未初始化全局變量，在內存中 bss段全部置零。 .rodata（只讀段）：該段保存著只讀數據，在進程映象中構造不可寫的段。通過在模塊初始化函數中放置一下代碼，我們可以很輕易地獲得模塊加載到內存中的地址。

……int bss_var;static int hello_init(void){printk(KERN_ALERT "Text location .text(Code Segment):%p/n",hello_init);static int data_var=0;printk(KERN_ALERT "Data Location .data(Data Segment):%p/n",&data_var);printk(KERN_ALERT "BSS Location: .bss(BSS Segment):%p/n",&bss_var);……}Module_init(hello_init);

這里，通過在模塊的初始化函數中添加一段簡單的程序，使模塊在加載時打印出在內核中的加載地址。.rodata段的地址可以通過執行命令readelf -e hello.ko，取得.rodata在文件中的偏移量并加上段的align值得出。為了使讀者能夠更好地進行模塊的調試，kgdb項目還發布了一些腳本程序能夠自動探測模塊的插入并自動更新gdb中模塊的符號信息。這些腳本程序的工作原理與前面解釋的工作過程相似，更多的信息請閱讀參考資料[4]。 2．2．5 硬件斷點 kgdb提供對硬件調試寄存器的支持。在kgdb中可以設置三種硬件斷點：執行斷點（Execution Breakpoint）、寫斷點（Write Breakpoint）、訪問斷點（access Breakpoint）但不支持I/O訪問的斷點。目前，kgdb對硬件斷點的支持是通過宏來實現的，最多可以設置4個硬件斷點，這些宏的用法如下：

Linux 系統內核的調試（圖十）

在有些情況下，硬件斷點的使用對于內核的調試是非常方便的。有關硬件斷點的定義和具體的使用說明見參考資料[4] 。 2．3．在VMware中搭建調試環境 kgdb調試環境需要使用兩臺微機分別充當development機和target機，使用VMware后我們只使用一臺計算機就可以順利完成kgdb調試環境的搭建。以windows下的環境為例，創建兩臺虛擬機，一臺作為開發機，一臺作為目標機。 2．3．1虛擬機之間的串口連接 虛擬機中的串口連接可以采用兩種方法。一種是指定虛擬機的串口連接到實際的COM上，例如開發機連接到COM1，目標機連接到COM2，然后把兩個串口通過串口線相連接。另一種更為簡便的方法是：在較高一些版本的VMware中都支持把串口映射到命名管道，把兩個虛擬機的串口映射到同一個命名管道。例如，在兩個虛擬機中都選定同一個命名管道 //./pipe/com_1,指定target機的COM口為server端，并選擇"The other end is a virtual machine"屬性；指定development機的COM口端為client端，同樣指定COM口的"The other end is a virtual machine"屬性。對于IO mode屬性，在target上選中"Yield CPU on poll"復選擇框，development機不選。這樣，可以無需附加任何硬件，利用虛擬機就可以搭建kgdb調試環境。即降低了使用kgdb進行調試的硬件要求，也簡化了建立調試環境的過程。

Linux 系統內核的調試（圖十）

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2．3．2 VMware的使用技巧
VMware虛擬機是比較占用資源的，尤其是象上面那樣在Windows中使用兩臺虛擬機。因此，最好為系統配備512M以上的內存，每臺虛擬機至少分配128M的內存。這樣的硬件要求，對目前主流配置的PC而言并不是過高的要求。出于系統性能的考慮，在VMware中盡量使用字符界面進行調試工作。同時，Linux系統默認情況下開啟了sshd服務，建議使用SecureCRT登陸到Linux進行操作，這樣可以有較好的用戶使用界面。 2．3．3 在Linux下的虛擬機中使用kgdb 對于在Linux下面使用VMware虛擬機的情況，筆者沒有做過實際的探索。從原理上而言，只需要在Linux下只要創建一臺虛擬機作為target機，開發機的工作可以在實際的Linux環境中進行，搭建調試環境的過程與上面所述的過程類似。由于只需要創建一臺虛擬機，所以使用Linux下的虛擬機搭建kgdb調試環境對系統性能的要求較低。（vmware已經推出了Linux下的版本）還可以在development機上配合使用一些其他的調試工具，例如功能更強大的cgdb、圖形界面的DDD調試器等，以方便內核的調試工作。

Linux 系統內核的調試（圖十二）

2．4 kgdb的一些特點和不足 使用kgdb作為內核調試環境最大的不足在于對kgdb硬件環境的要求較高，必須使用兩臺計算機分別作為target和development機。盡管使用虛擬機的方法可以只用一臺PC即能搭建調試環境，但是對系統其他方面的性能也提出了一定的要求，同時也增加了搭建調試環境時復雜程度。另外，kgdb內核的編譯、配置也比較復雜，需要一定的技巧，筆者當時做的時候也是費了很多周折。當調試過程結束后時，還需要重新制作所要發布的內核。使用kgdb并不能進行全程調試，也就是說kgdb并不能用于調試系統一開始的初始化引導過程。不過，kgdb是一個不錯的內核調試工具，使用它可以進行對內核的全面調試，甚至可以調試內核的中斷處理程序。假如在一些圖形化的開發工具的幫助下，對內核的調試將更方便。
Linux 系統內核的調試（圖五）

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3. 使用SkyEye構建Linux內核調試環境 SkyEye是一個開源軟件項目（OPenSource Software）,SkyEye項目的目標是在通用的Linux和Windows平臺上模擬常見的嵌入式計算機系統。SkyEye實現了一個指令級的硬件模擬平臺，可以模擬多種嵌入式開發板，支持多種CPU指令集。SkyEye 的核心是 GNU 的 gdb 項目，它把gdb和 ARM Simulator很好地結合在了一起。加入ARMulator 的功能之后，它就可以來仿真嵌入式開發板，在它上面不僅可以調試硬件驅動，還可以調試操作系統。Skyeye項目目前已經在嵌入式系統開發領域得到了很大的推廣。 3．1 SkyEye的安裝和μcLinux內核編譯 3．1.1 SkyEye的安裝 SkyEye的安裝不是本文要介紹的重點，目前已經有大量的資料對此進行了介紹。有關SkyEye的安裝與使用的內容請查閱參考資料[11]。由于skyeye面目主要用于嵌入式系統領域，所以在skyeye上經常使用的是μcLinux系統，當然使用Linux作為skyeye上運行的系統也是可以的。由于介紹μcLinux 2.6在skyeye上編譯的相關資料并不多，所以下面進行具體介紹。 3．1.2 μcLinux 2.6.x的編譯 要在SkyEye中調試操作系統內核，首先必須使被調試內核能在SkyEye所模擬的開發板上正確運行。因此，正確編譯待調試操作系統內核并配置SkyEye是進行內核調試的第一步。下面我們以SkyEye模擬基于Atmel AT91X40的開發板，并運行μcLinux 2.6為例介紹SkyEye的具體調試方法。 I、安裝交叉編譯環境先安裝交叉編譯器。盡管在一些資料中說明使用工具鏈arm-elf-tools-20040427.sh ,但是由于arm-elf-xxx與arm-linux-xxx對宏及鏈接處理的不同，經驗證實使用arm-elf-xxx工具鏈在鏈接vmlinux的最后階段將會出錯。所以這里我們使用的交叉編譯工具鏈是：arm-uclinux-tools-base-gcc3.4.0-20040713.sh，關于該交叉編譯工具鏈的下載地址請參見[6]。注重以下步驟最好用root用戶來執行。

[root@lisl tmp]#chmod +x  arm-uclinux-tools-base-gcc3.4.0-20040713.sh[root@lisl tmp]#./arm-uclinux-tools-base-gcc3.4.0-20040713.sh

安裝交叉編譯工具鏈之后，請確保工具鏈安裝路徑存在于系統PATH變量中。 II、制作μcLinux內核得到μcLinux發布包的一個最輕易的方法是直接訪問uClinux.org站點[7]。該站點發布的內核版本可能不是最新的，但你能找到一個最新的μcLinux補丁以及找一個對應的Linux內核版本來制作一個最新的μcLinux內核。這里，將使用這種方法來制作最新的μcLinux內核。目前（筆者記錄編寫此文章時），所能得到的發布包的最新版本是uClinux-dist.20041215.tar.gz。下載uClinux-dist.20041215.tar.gz，文件的下載地址請參見[7]。下載linux-2.6.9-hsc0.patch.gz，文件的下載地址請參見[8]。下載linux-2.6.9.tar.bz2，文件的下載地址請參見[9]。現在我們得到了整個的linux-2.6.9源代碼，以及所需的內核補丁。請預備一個有2GB空間的目錄里來完成以下制作μcLinux內核的過程。

[root@lisl tmp]# tar -jxvf uClinux-dist-20041215.tar.bz2[root@lisl uClinux-dist]# tar -jxvf  linux-2.6.9.tar.bz2[root@lisl uClinux-dist]# gzip -dc linux-2.6.9-hsc0.patch.gz  patch -p0

或者使用：

[root@lisl uClinux-dist]# gunzip linux-2.6.9-hsc0.patch.gz [root@lisl uClinux-dist]patch -p0 < linux-2.6.9-hsc0.patch
執行以上過程后，將在linux-2.6.9/arch目錄下生成一個補丁目錄－armnommu。刪除原來μcLinux目錄里的linux-2.6.x(即那個linux-2.6.9-uc0)，并將我們打好補丁的Linux內核目錄更名為linux-2.6.x。

[root@lisl uClinux-dist]# rm -rf linux-2.6.x/[root@lisl uClinux-dist]# mv linux-2.6.9 linux-2.6.x
III、配置和編譯μcLinux內核因為只是出于調試μcLinux內核的目的，這里沒有生成uClibc庫文件及romfs.img文件。在發布μcLinux時，已經預置了某些常用嵌入式開發板的配置文件，因此這里直接使用這些配置文件，過程如下：

[root@lisl uClinux-dist]# cd linux-2.6.x[root@lisl linux-2.6.x]#make ARCH=armnommu CROSS_COMPILE=arm-uclinux- atmel_deconfig

atmel_deconfig文件是μcLinux發布時提供的一個配置文件，存放于目錄linux-2.6.x /arch/armnommu/configs/中。

[root@lisl linux-2.6.x]#make ARCH=armnommu CROSS_COMPILE=arm-uclinux-oldconfig

下面編譯配置好的內核：

[root@lisl linux-2.6.x]# make ARCH=armnommu CROSS_COMPILE=arm-uclinux- v=1
一般情況下，編譯將順利結束并在Linux-2.6.x/目錄下生成未經壓縮的μcLinux內核文件vmlinux。需要注重的是為了調試μcLinux內核，需要打開內核編譯的調試選項-g，使編譯后的內核帶有調試信息。打開編譯選項的方法可以選擇： "Kernel debugging->Compile the kernel with debug info"后將自動打開調試選項。也可以直接修改linux-2.6.x目錄下的Makefile文件，為其打開調試開關。方法如下：。

CFLAGS += -g
最輕易出現的問題是找不到arm-uclinux-gcc命令的錯誤，主要原因是PATH變量中沒有包含arm-uclinux-gcc命令所在目錄。在arm-linux-gcc的缺省安裝情況下，它的安裝目錄是/root/bin/arm-linux-tool/，使用以下命令將路徑加到PATH環境變量中。

EXPort PATH＝$PATH:/root/bin/arm-linux-tool/bin
IV、根文件系統的制作 Linux內核在啟動的時的最后操作之一是加載根文件系統。根文件系統中存放了嵌入式系統使用的所有應用程序、庫文件及其他一些需要用到的服務。出于文章篇幅的考慮，這里不打算介紹根文件系統的制作方法，讀者可以查閱一些其他的相關資料。值得注重的是，由配置文件skyeye.conf指定了裝載到內核中的根文件系統。 3．2 使用SkyEye調試 編譯完μcLinux內核后，就可以在SkyEye中調試該ELF執行文件格式的內核了。前面已經說過利用SkyEye調試內核與使用gdb調試運用程序的方法相同。需要提醒讀者的是，SkyEye的配置文件－skyeye.conf記錄了模擬的硬件配置和模擬執行行為。該配置文件是SkyEye系統中一個及其重要的文件，很多錯誤和異常情況的發生都和該文件有關。在安裝配置SkyEye出錯時，請首先檢查該配置文件然后再進行其他的工作。此時，所有的預備工作已經完成，就可以進行內核的調試工作了。 3．3使用SkyEye調試內核的特點和不足 在SkyEye中可以進行對Linux系統內核的全程調試。由于SkyEye目前主要支持基于ARM內核的CPU，因此一般而言需要使用交叉編譯工具編譯待調試的Linux系統內核。另外，制作SkyEye中使用的內核編譯、配置過程比較復雜、繁瑣。不過，當調試過程結束后無需重新制作所要發布的內核。 SkyEye只是對系統硬件進行了一定程度上的模擬，所以在SkyEye與真實硬件環境相比較而言還是有一定的差距，這對一些與硬件緊密相關的調試可能會有一定的影響，例如驅動程序的調試。不過對于大部分軟件的調試，SkyEye已經提供了精度足夠的模擬了。 SkyEye的下一個目標是和eclipse結合，有了圖形界面，能為調試和查看源碼提供一些方便。
Linux 系統內核的調試（圖五）

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4. 使用UML調試Linux內核 User-mode Linux（UML）簡單說來就是在Linux內運行的Linux。該項目是使Linux內核成為一個運行在 Linux 系統之上單獨的、用戶空間的進程。UML并不是運行在某種新的硬件體系結構之上，而是運行在基于 Linux 系統調用接口所實現的虛擬機。正是由于UML是一個將Linux作為用戶空間進程運行的特性，可以使用UML來進行操作系統內核的調試。有關UML的介紹請查閱參考資料[10]、[12]。 4．1 UML的安裝與調試 UML的安裝需要一臺運行Linux 2.2.15以上，或者2.3.22以上的I386機器。對于2.6.8及其以前版本的UML，采用兩種形式發布：一種是以RPM包的形式發布，一種是以源代碼的形式提供UML的安裝。按照UML的說明，以RPM形式提供的安裝包比較陳舊且會有許多問題。以二進制形式發布的UML包并不包含所需要的調試信息，這些代碼在發布時已經做了程度不同的優化。所以，要想利用UML調試Linux系統內核，需要使用最新的UML patch代碼和對應版本的Linux內核編譯、安裝UML。完成UML的補丁之后，會在arch目錄下產生一個um目錄，主要的UML代碼都放在該目錄下。從2.6.9版本之后（包含2.6.9版本的Linux），User-Mode Linux已經隨Linux內核源代碼樹一起發布，它存放于arch/um目錄下。編譯好UML的內核之后，直接使用gdb運行已經編譯好的內核即可進行調試。 4．2使用UML調試系統內核的特點和不足 目前，用戶模式 Linux 虛擬機也存在一定的局限性。由于UML虛擬機是基于Linux系統調用接口的方式實現的虛擬機，所以用戶模式內核不能訪問主機系統上的硬件設備。因此，UML并不適合于調試那些處理實際硬件的驅動程序。不過，假如所編寫的內核程序不是硬件驅動，例如Linux文件系統、協議棧等情況，使用UML作為調試工具還是一個不錯的選擇。
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5. 內核調試配置選項為了方便調試和測試代碼，內核提供了許多與內核調試相關的配置選項。這些選項大部分都在內核配置編輯器的內核開發(kernel hacking)菜單項中。在內核配置目錄樹菜單的其他地方也還有一些可配置的調試選項，下面將對他們作一定的介紹。 Page alloc debugging ：CONFIG_DEBUG_PAGEALLOC: 不使用該選項時，釋放的內存頁將從內核地址空間中移出。使用該選項后，內核推遲移出內存頁的過程，因此能夠發現內存泄漏的錯誤。 Debug memory allocations ：CONFIG_DEBUG_SLAB: 該打開該選項時，在內核執行內存分配之前將執行多種類型檢查，通過這些類型檢查可以發現諸如內核過量分配或者未初始化等錯誤。內核將會在每次分配內存前后時設置一些警戒值，假如這些值發生了變化那么內核就會知道內存已經被操作過并給出明確的提示，從而使各種隱晦的錯誤變得輕易被跟蹤。 Spinlock debugging ：CONFIG_DEBUG_SPINLOCK: 打開此選項時，內核將能夠發現spinlock未初始化及各種其他的錯誤,能用于排除一些死鎖引起的錯誤。 Sleep-inside-spinlock checking：CONFIG_DEBUG_SPINLOCK_SLEEP: 打開該選項時，當spinlock的持有者要睡眠時會執行相應的檢查。實際上即使調用者目前沒有睡眠，而只是存在睡眠的可能性時也會給出提示。 Compile the kernel with debug info ：CONFIG_DEBUG_INFO: 打開該選項時，編譯出的內核將會包含全部的調試信息，使用gdb時需要這些調試信息。 Stack utilization instrumentation ：CONFIG_DEBUG_STACK_USAGE: 該選項用于跟蹤內核棧的溢出錯誤，一個內核棧溢出錯誤的明顯的現象是產生oops錯誤卻沒有列出系統的調用棧信息。該選項將使內核進行棧溢出檢查，并使內核進行棧使用的統計。
Driver Core verbose debug messages：CONFIG_DEBUG_DRIVER: 該選項位于"Device drivers-> Generic Driver Options"下，打開該選項使得內核驅動核心產生大量的調試信息，并將他們記錄到系統日志中。 Verbose SCSI error reporting (kernel size +=12K) ：CONFIG_SCSI_CONSTANTS: 該選項位于"Device drivers/SCSI device support"下。當SCSI設備出錯時內核將給出具體的出錯信息。 Event debugging：CONFIG_INPUT_EVBUG: 打開該選項時，會將輸入子系統的錯誤及所有事件都輸出到系統日志中。該選項在產生了具體的輸入報告的同時，也會導致一定的安全問題。以上內核編譯選項需要讀者根據自己所進行的內核編程的實際情況，靈活選取。在使用以上介紹的三種源代碼級的內核調試工具時，一般需要選取CONFIG_DEBUG_INFO選項，以使編譯的內核包含調試信息。
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6. 總結上面介紹了一些調試Linux內核的方法，非凡是具體介紹了三種源代碼級的內核調試工具，以及搭建這些內核調試環境的方法，讀者可以根據自己的情況從中作出選擇。調試工具（例如gdb）的運行都需要操作系統的支持，而此時內核由于一些錯誤的代碼而不能正確執行對系統的治理功能，所以對內核的調試必須采取一些非凡的方法進行。以上介紹的三種源代碼級的調試方法，可以歸納為以下兩種策略： I、為內核增加調試Stub，利用調試Stub進行遠程調試，這種調試策略需要target及development機器才能完成調試任務。 II、將虛擬機技術與調試工具相結合，使Linux內核在虛擬機中運行從而利用調試器對內核進行調試。這種策略需要制作適合在虛擬機中運行的系統內核。由不同的調試策略決定了進行調試時不同的工作原理，同時也形成了各種調試方法不同的軟硬件需求和各自的特點。另外，需要說明的是內核調試能力的把握很大程度上取決于經驗和對整個操作系統的深入理解。對系統內核的全面深入的理解，將能在很大程度上加快對Linux系統內核的開發和調試。對系統內核的調試技術和方法絕不止上面介紹所涉及的內容，這里只是介紹了一些經?？吹胶吐牭椒椒?。在Linux內核向前發展的同時，內核的調試技術也在不斷的進步。希望以上介紹的一些方法能對讀者開發和學習Linux有所幫助。
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參考資料 [1] http://oss.sgi.com/projects/kdb/ [2] http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/sdk/l-debug/index.Html [3] http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-kdbug/ [4] http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-kprobes.html [5] http://kgdb.linsyssoft.com/downloads.htm [6] FTP://166.111.68.183 [8] http://www.uclinux.org/pub/uClinux/dist/ [9] http://opensrc.sec.samsung.com/download/linux-2.6.9-hsc0.patch.gz [10] http:// www.kernel.org [11] http://user-mode-linux.sourceforge.net/ [12] http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-skyeye/part1/ [13] http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/views/linux/tutorials.jsp?cv_doc_id=84978
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參考文獻 [1]Robert Love Linux kernel development機械工業出版社 [2]陳渝源代碼開發的嵌入式系統軟件分析與實踐北京航空航天大學出版社 [3]Alessandro Rubini Linux device driver 2se Edition O'Reilly [4]Jonathan Corbet Linux device driver 3rd Edition O'Reilly [5]李善平 Linux內核源代碼分析大全機械工業出版社
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作者簡介 Linux 系統內核的調試（圖一）

李樹雷，清華大學計算機系碩士研究生，主要從事操作系統與中間件的研究。通過lisl03@mails.tsinghua.edu.cn 可以跟他聯系
Linux 系統內核的調試（圖一）

陳渝, 清華大學，通過 yuchen@tsinghua.edu.cn 可以和他聯系。

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