Caffeinated 6.828：實驗工具指南

熟悉你的環境對高效率的開發和除錯來說是至關重要的。本文將為你簡單概述一下 JOS 環境和非常有用的 GDB 和 QEMU 命令。話雖如此，但你仍然應該去閱讀 GDB 和 QEMU 手冊，來理解這些強大的工具如何使用。

除錯小貼士

核心

GDB 是你的朋友。使用 qemu-gdb target（或它的變體 qemu-gdb-nox）使 QEMU 等待 GDB 去繫結。下面在除錯核心時用到的一些命令，可以去檢視 GDB 的資料。

如果你遭遇意外的中斷、異常、或三重故障，你可以使用 -d 引數要求 QEMU 去產生一個詳細的中斷日誌。

除錯虛擬記憶體問題時，嘗試 QEMU 的監視命令 info mem（提供記憶體高階概述）或 info pg（提供更多細節內容）。注意，這些命令僅顯示當前頁表。

（在實驗 4 以後）去除錯多個 CPU 時，使用 GDB 的執行緒相關命令，比如 thread 和 info threads。

使用者環境（在實驗 3 以後）

GDB 也可以去除錯使用者環境，但是有些事情需要注意，因為 GDB 無法區分開多個使用者環境或區分開使用者環境與核心環境。

你可以使用 make run-name（或編輯 kern/init.c 目錄）來指定 JOS 啟動的使用者環境，為使 QEMU 等待 GDB 去繫結，使用 run-name-gdb 的變體。

你可以符號化除錯使用者程式碼，就像除錯核心程式碼一樣，但是你要告訴 GDB，哪個符號表用到符號檔案命令上，因為它一次僅能夠使用一個符號表。提供的 .gdbinit 用於載入核心符號表 obj/kern/kernel。對於一個使用者環境，這個符號表在它的 ELF 二進位制檔案中，因此你可以使用 symbol-file obj/user/name 去載入它。不要從任何 .o 檔案中載入符號，因為它們不會被連結器遷移進去（庫是靜態連結進 JOS 使用者二進位制檔案中的，因此這些符號已經包含在每個使用者二進位制檔案中了）。確保你得到了正確的使用者二進位制檔案；在不同的二進位制檔案中，庫函式被連結為不同的 EIP，而 GDB 並不知道更多的內容！

（在實驗 4 以後）因為 GDB 繫結了整個虛擬機器，所以它可以將時鐘中斷看作為一種控制轉移。這使得從底層上不可能實現步進使用者程式碼，因為一個時鐘中斷無形中保證了片刻之後虛擬機器可以再次執行。因此可以使用 stepi 命令，因為它阻止了中斷，但它僅可以步進一個彙編指令。斷點一般來說可以正常工作，但要注意，因為你可能在不同的環境（完全不同的一個二進位制檔案）上遇到同一個 EIP。

參考

JOS makefile

JOS 的 GNUmakefile 包含了在各種方式中執行的 JOS 的許多假目標。所有這些目標都配置 QEMU 去監聽 GDB 連線（*-gdb 目標也等待這個連線）。要在執行中的 QEMU 上啟動它，只需要在你的實驗目錄中簡單地執行 gdb 即可。我們提供了一個 .gdbinit 檔案，它可以在 QEMU 中自動指向到 GDB、載入核心符號檔案、以及在 16 位和 32 位模式之間切換。退出 GDB 將關閉 QEMU。

• make qemu

  在一個新視窗中構建所有的東西並使用 VGA 控制檯和你的終端中的序列控制檯啟動 QEMU。想退出時，既可以關閉 VGA 視窗，也可以在你的終端中按 Ctrl-c 或 Ctrl-a x。

• make qemu-nox

  和 make qemu 一樣，但僅使用序列控制檯來執行。想退出時，按下 Ctrl-a x。這種方式在透過 SSH 撥號連線到 Athena 上時非常有用，因為 VGA 視窗會佔用許多頻寬。

• make qemu-gdb

  和 make qemu 一樣，但它與任意時間被動接受 GDB 不同，而是暫停第一個機器指令並等待一個 GDB 連線。

• make qemu-nox-gdb

  它是 qemu-nox 和 qemu-gdb 目標的組合。

• make run-nam

  （在實驗 3 以後）執行使用者程式 name。例如，make run-hello 執行 user/hello.c。

• make run-name-nox,run-name-gdb, run-name-gdb-nox

  （在實驗 3 以後）與 qemu 目標變數對應的 run-name 的變體。

makefile 也接受幾個非常有用的變數：

• make V=1 …

  詳細模式。輸出正在執行的每個命令，包括引數。

• make V=1 grade

  在評級測試失敗後停止，並將 QEMU 的輸出放入 jos.out 檔案中以備檢查。

• make QEMUEXTRA=' _args_ ' …

  指定傳遞給 QEMU 的額外引數。

JOS obj/

在構建 JOS 時，makefile 也產生一些額外的輸出檔案，這些檔案在除錯時非常有用：

• obj/boot/boot.asm、obj/kern/kernel.asm、obj/user/hello.asm、等等。

  引導載入器、核心、和使用者程式的彙編程式碼列表。

• obj/kern/kernel.sym、obj/user/hello.sym、等等。

  核心和使用者程式的符號表。

• obj/boot/boot.out、obj/kern/kernel、obj/user/hello、等等。

  核心和使用者程式連結的 ELF 映象。它們包含了 GDB 用到的符號資訊。

GDB

完整的 GDB 命令指南請檢視 GDB 手冊。下面是一些在 6.828 課程中非常有用的命令，它們中的一些在作業系統開發之外的領域幾乎用不到。

• Ctrl-c

  在當前指令處停止機器並打斷進入到 GDB。如果 QEMU 有多個虛擬的 CPU，所有的 CPU 都會停止。

• c（或 continue）

  繼續執行，直到下一個斷點或 Ctrl-c。

• si（或 stepi）

  執行一個機器指令。

• b function 或 b file:line（或 breakpoint）

  在給定的函式或行上設定一個斷點。

• b * addr（或 breakpoint）

  在 EIP 的 addr 處設定一個斷點。

• set print pretty

  啟用陣列和結構的美化輸出。

• info registers

  輸出通用暫存器 eip、eflags、和段選擇器。更多更全的機器暫存器狀態轉儲，檢視 QEMU 自己的 info registers 命令。

• x/ N x addr

  以十六進位制顯示虛擬地址 addr 處開始的 N 個詞的轉儲。如果 N 省略，預設為 1。addr 可以是任何表示式。

• x/ N i addr

  顯示從 addr 處開始的 N 個彙編指令。使用 $eip 作為 addr 將顯示當前指令指標暫存器中的指令。

• symbol-file file

  （在實驗 3 以後）切換到符號檔案 file 上。當 GDB 繫結到 QEMU 後，它並不是虛擬機器中程序邊界內的一部分，因此我們要去告訴它去使用哪個符號。預設情況下，我們配置 GDB 去使用核心符號檔案 obj/kern/kernel。如果機器正在執行使用者程式碼，比如是 hello.c，你就需要使用 symbol-file obj/user/hello 去切換到 hello 的符號檔案。

QEMU 將每個虛擬 CPU 表示為 GDB 中的一個執行緒，因此你可以使用 GDB 中所有的執行緒相關的命令去檢視或維護 QEMU 的虛擬 CPU。

• thread n

  GDB 在一個時刻只關注於一個執行緒（即：CPU）。這個命令將關注的執行緒切換到 n，n 是從 0 開始編號的。

• info threads

  列出所有的執行緒（即：CPU），包括它們的狀態（活動還是停止）和它們在什麼函式中。

QEMU

QEMU 包含一個內建的監視器，它能夠有效地檢查和修改機器狀態。想進入到監視器中，在執行 QEMU 的終端中按入 Ctrl-a c 即可。再次按下 Ctrl-a c 將切換回序列控制檯。

監視器命令的完整參考資料，請檢視 QEMU 手冊。下面是 6.828 課程中用到的一些有用的命令：

• xp/ N x paddr

  顯示從實體地址 paddr 處開始的 N 個詞的十六進位制轉儲。如果 N 省略，預設為 1。這是 GDB 的 x 命令模擬的實體記憶體。

• info registers

  顯示機器內部暫存器狀態的一個完整轉儲。實踐中，對於段選擇器，這將包含機器的 隱藏 段狀態和區域性、全域性、和中斷描述符表加任務狀態暫存器。隱藏狀態是在載入段選擇器後，虛擬的 CPU 從 GDT/LDT 中讀取的資訊。下面是實驗 1 中 JOS 核心處於執行中時的 CS 資訊和每個欄位的含義：

  CS =0008 10000000 ffffffff 10cf9a00 DPL=0 CS32 [-R-]

• CS =0008

  程式碼選擇器可見部分。我們使用段 0x8。這也告訴我們參考全域性描述符表（0x8&4=0），並且我們的 CPL（當前許可權級別）是 0x8&3=0。

• 10000000

  這是段基址。線性地址 = 邏輯地址 + 0x10000000。

• ffffffff

  這是段限制。訪問線性地址 0xffffffff 以上將返回段違規異常。

• 10cf9a00

  段的原始標誌，QEMU 將在接下來的幾個欄位中解碼這些對我們有用的標誌。

• DPL=0

  段的許可權級別。一旦程式碼以許可權 0 執行，它將就能夠載入這個段。

• CS32

  這是一個 32 位程式碼段。對於資料段（不要與 DS 暫存器混淆了），另外的值還包括 DS，而對於本地描述符表是 LDT。

• [-R-]

  這個段是隻讀的。

• info mem

  （在實驗 2 以後）顯示對映的虛擬記憶體和許可權。比如：

  ef7c0000-ef800000 00040000 urw
  efbf8000-efc00000 00008000 -rw

  這告訴我們從 0xef7c0000 到 0xef800000 的 0x00040000 位元組的記憶體被對映為讀取/寫入/使用者可訪問，而對映在 0xefbf8000 到 0xefc00000 之間的記憶體許可權是讀取/寫入，但是僅限於核心可訪問。

• info pg

  （在實驗 2 以後）顯示當前頁表結構。它的輸出類似於 info mem，但與頁目錄條目和頁表條目是有區別的，並且為每個條目給了單獨的許可權。重複的 PTE 和整個頁表被摺疊為一個單行。例如：

  VPN range     Entry         Flags        Physical page
  [00000-003ff]  PDE[000]     -------UWP
    [00200-00233]  PTE[200-233] -------U-P 00380 0037e 0037d 0037c 0037b 0037a ..
  [00800-00bff]  PDE[002]     ----A--UWP
    [00800-00801]  PTE[000-001] ----A--U-P 0034b 00349
    [00802-00802]  PTE[002]     -------U-P 00348

  這裡各自顯示了兩個頁目錄條目、虛擬地址範圍 0x00000000 到 0x003fffff 以及 0x00800000 到 0x00bfffff。 所有的 PDE 都存在於記憶體中、可寫入、並且使用者可訪問，而第二個 PDE 也是可訪問的。這些頁表中的第二個對映了三個頁、虛擬地址範圍 0x00800000 到 0x00802fff，其中前兩個頁是存在於記憶體中的、可寫入、並且使用者可訪問的，而第三個僅存在於記憶體中，並且使用者可訪問。這些 PTE 的第一個條目對映在物理頁 0x34b 處。

QEMU 也有一些非常有用的命令列引數，使用 QEMUEXTRA 變數可以將引數傳遞給 JOS 的 makefile。

• make QEMUEXTRA='-d int' ...

  記錄所有的中斷和一個完整的暫存器轉儲到 qemu.log 檔案中。你可以忽略前兩個日誌條目、“SMM: enter” 和 “SMM: after RMS”，因為這些是在進入引導載入器之前生成的。在這之後的日誌條目看起來像下面這樣：

       4: v=30 e=0000 i=1 cpl=3 IP=001b:00800e2e pc=00800e2e SP=0023:eebfdf28 EAX=00000005
  EAX=00000005 EBX=00001002 ECX=00200000 EDX=00000000
  ESI=00000805 EDI=00200000 EBP=eebfdf60 ESP=eebfdf28
  ...

  第一行描述了中斷。4: 只是一個日誌記錄計數器。v 提供了十六程序的向量號。e 提供了錯誤程式碼。i=1 表示它是由一個 int 指令（相對一個硬體產生的中斷而言）產生的。剩下的行的意思很明顯。對於一個暫存器轉儲而言，接下來看到的就是暫存器資訊。

  注意：如果你執行的是一個 0.15 版本之前的 QEMU，日誌將寫入到 /tmp 目錄，而不是當前目錄下。

via: https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/labguide.html

作者：csail.mit 選題：lujun9972 譯者：qhwdw 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出