ubuntu 14.04（32位）中使用qemu+gdb调试Linux内核

文章目录

• 编译运行Linux内核并通过qemu+gdb调试
• 实验目的
• 实验环境
• 实验内容
• 一、制作根文件系统
• 1、下载并编译Linux内核
• 2、准备模拟器qemu
• 3、制作根文件系统——方法一
• 3、制作根文件系统——方法二：利用busybox生成根文件系统（推荐）
• 4、熟悉linux简单指令
• 二、gdb+qemu调试内核
• 1、gdb简介
• 2、在qemu中启动gdb server
• 3、建立gdb与gdb server之间的链接
• 4、加载vmlinux中的符号表并设置断点
• 5、重新配置Linux，使之携带调试信息
• 参考资料

编译运行Linux内核并通过qemu+gdb调试

实验目的

• 熟悉Linux系统运行环境
• 制作根文件系统
• 掌握Linux内核编译方法
• 学习如何使用gdb调试内核
• 熟悉Linux下常用的文件操作指令

实验环境

• OS：Ubuntu 14.04 i386（32位）
• 待调试的Linux内核版本：Kernel 2.6.26
• 注意：本次实验必须在Ubuntu系统上实现，可直接在机房完成，或在个人PC上安装虚拟环境完成，请注意需要安装32位的Ubuntu镜像。

实验内容

一、制作根文件系统

1、下载并编译Linux内核

• 下载linux-2.6.26.tar.gz，解压缩得到目录linux-2.6.26，不妨称之为Linux源代码根目录(以下简称源码根目录)

• mkdir ~/oslab
  cd ~/oslab
  wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/linux-2.6.26.tar.gz
  tar -zvxf linux-2.6.26.tar.gz
  

• 进入源代码根目录，并执行编译指令(32位缺省编译)

• cd ~/oslab/linux-2.6.26
  make i386_defconfig
  make
  

• make过程中若遇到问题，可参考以下方案解决：

  • # 问题1
    gcc: error: elf_x86_64: No such file or directory
    make[1]: *** [arch/x86/vdso/vdso.so.dbg] Error 1
    make: *** [arch/x86/vdso] Error 2
    
    # 问题1解决方案：
    将linux-2.6.26/arch/x86/vdso目录下的Makefile文件中的 ‘-m elf_x86_64’ 改成 ‘-m64’，’-m elf_i386’ 改成 ‘-m32’
    
    cd ~/oslab/linux-2.6.26
    make   # 进入源代码根目录，再次执行make指令
    
    # 问题2
    undefined reference to `__mutex_lock_slowpath'
    undefined reference to `__mutex_unlock_slowpath'
    # 问题2解决方案
    将linux-2.6.26/kernel目录下的mutex.c文件中的
    # 如下行
    static void noinline __sched
    __mutex_lock_slowpath(atomic_t *lock_count);
    # 改为：
    static __used void noinline __sched __mutex_lock_slowpath(atomic_t *lock_count);
    
    # 如下行
    static noinline void __sched __mutex_unlock_slowpath(atomic_t *lock_count);
    # 改为
    static __used noinline void __sched __mutex_unlock_slowpath(atomic_t *lock_count);
    
    cd ~/oslab/linux-2.6.26
    make   # 进入源代码根目录，再次执行make指令
    

• 注意：在编译过程中可能因为Ubuntu内的配置问题而产生各类bug，具体解决方案由报错而定，若仍有其他错误，请参考以下方式处理。（更好的处理方法是直接在搜索引擎中输入：linux编译问题+报错内容）

• 编译问题处理1

• 编译问题处理2

• 编译问题处理3

• 编译问题处理4

• 编译问题处理5

• 编译问题处理6

• 编译问题处理7

• 内核配置(make menuconfig)详述

2、准备模拟器qemu

• 直接安装qemu包即可

• sudo apt-get install qemu
  

• 可能ubuntu官方镜像源上没有qemu包，将镜像源切换成ustc源即可，具体方法见下

• 更换apt-get源为ustc镜像源（主要选择正确的版本）

3、制作根文件系统——方法一

• (1) 创建一个简单的应用程序

• cd ~/oslab
  touch test.c
  

  加入以下代码:

• #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
   
  void main(){
      while(1){
          printf("Hello!\n");
          sleep(2);
      }
  }
  

  创建好后使用GCC进行静态编译：

• cd ~/oslab
  gcc -static -o init test.c
  

• (2) 建立目标根目录映像

• cd ~/oslab
  dd if=/dev/zero of=myinitrd4M.img bs=4096 count=1024
  mkfs.ext3 myinitrd4M.img
  mkdir rootfs
  sudo mount -o loop myinitrd4M.img rootfs
  

• (3) 将init拷贝到目标根目录下

• sudo cp init rootfs/
  

• (4) 准备dev目录

• sudo mkdir rootfs/dev
  sudo mknod rootfs/dev/console c 5 1
  sudo mknod rootfs/dev/ram b 1 0
  sudo umount rootfs
  

• 至此即完成了包含简单应用的根目录镜像myinitrd4M.img

• (5) 使用qemu启动系统

• cd ~/oslab
  qemu-system-i386 -kernel ~/oslab/linux-2.6.26/arch/x86/boot/bzImage -initrd ~/oslab/myinitrd4M.img --append "root=/dev/ram init=/init"
  

• 至此,既可以看到系统能够启动，并且在启动后看到init的输出结果

• 提示：可以使用以下指令终止qemu进程：

• ps -ef | grep qemu | grep -v grep | awk '{print $2}' | xargs sudo kill
  

3、制作根文件系统——方法二：利用busybox生成根文件系统（推荐）

• （1）下载busybox

• cd ~/oslab
  wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.30.1.tar.bz2   #下载
  tar -jxvf busybox-1.30.1.tar.bz2     #解压
  cd ~/oslab/busybox-1.30.1
  

• （2）编译busybox

• make defconfig
  make menuconfig  #修改配置如下：
  	Settings –>
  		Build Options
  			[*] Build static binary（no share libs）
  	Settings –> 
  		(-m32 -march=i386) Additional CFLAGS
  		(-m32) Additional LDFLAGS
  	Settings –> 
  		What kind of applet links to install –>
  			(X) as soft-links
  make
  make install
  
  # 某些同学在自己电脑上运行make时可能会报错，可输入 sudo apt install libncurses5-dev 解决
  

• （3）准备根文件系统

• cd ~/oslab/busybox-1.30.1/_install
  sudo mkdir dev 
  sudo mknod dev/console c 5 1
  sudo mknod dev/ram b 1 0 
  touch init
  	# 在init中写入以下内容（你可以使用vim或gedit编辑器写入，或在图形化界面中找到该文件，双击编辑）
  	#!/bin/sh
  	echo "INIT SCRIPT"
  	mkdir /proc
  	mkdir /sys
  	mount -t proc none /proc
  	mount -t sysfs none /sys
  	mkdir /tmp
  	mount -t tmpfs none /tmp
  	echo -e "\nThis boot took $(cut -d' ' -f1 /proc/uptime) seconds\n"
  	exec /bin/sh
  
  chmod +x init
  
  cd ~/oslab/busybox-1.30.1/_install
  find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ~/oslab/initramfs-busybox-x86.cpio.gz  # 注意：该命令一定要在busybox的 _install 目录下执行
  # 注意：每次修改_install,都要重新执行该命令
  

• （4）运行

• cd ~/oslab
  qemu-system-i386 -s -kernel ~/oslab/linux-2.6.26/arch/x86/boot/bzImage -initrd ~/oslab/initramfs-busybox-x86.cpio.gz --append "root=/dev/ram init=/init"
  

  • 在qemu窗口可以看到成功运行，且进入shell环境

4、熟悉linux简单指令

• 目标：掌握ls、touch、cat、echo、mkdir、mv、cd、cp等基本指令

• 在上一步“利用busybox生成根文件系统” 运行成功之后，在qemu窗口可以看到已进入shell环境。此时就可以在我们自己制作的根文件系统中执行指令了。如下指令创建写入一个txt文件并移动文件：

• / # ls          # 查看当前目录下的所有文件/文件夹
  / # touch 1.txt # 创建1.txt
  / # ls
  / # echo i am 1.txt > 1.txt  # 向1.txt写入内容
  / # cat 1.txt   # 查看1.txt内容
  / # ls -l       # 查看当前目录下的所有文件/文件夹的详细信息
  / # mkdir 1     # 创建目录1
  / # mv 1.txt 1  # 将1.txt移动到目录1
  / # cd 1        # 打开目录1
  / # ls
  

二、gdb+qemu调试内核

1、gdb简介

• gdb是一款终端环境下常用的调试工具

• 使用gdb调试程序

  • ubuntu下安装gdb：sudo apt install gdb
  • 编译程序时加入-g选项，如：gcc -g -o test test.c
  • 运行gdb调试程序：gdb test

• 常用命令

• r/run                 # 开始执行程序
  b/break <location>    # 在location处添加断点，location可以是代码行数或函数名
  b/break <location> if <condition> # 在location处添加断点，仅当caondition条件满足才中断运行
  c/continue            # 继续执行到下一个断点或程序结束
  n/next                # 运行下一行代码，如果遇到函数调用直接跳到调用结束
  s/step                # 运行下一行代码，如果遇到函数调用则进入函数内部逐行执行
  ni/nexti              # 类似next，运行下一行汇编代码（一行c代码可能对应多行汇编代码）
  si/stepi              # 类似step，运行下一行汇编代码
  list                  # 显示当前行代码
  p/print <expression>  # 查看表达式expression的值
  

2、在qemu中启动gdb server

• 在终端中执行以下指令启动qemu运行内核：

• qemu-system-i386 -s -S -kernel ~/oslab/linux-2.6.26/arch/x86/boot/bzImage -initrd ~/oslab/initramfs-busybox-x86.cpio.gz --append "root=/dev/ram init=/init"   # 可以看到qemu在等待gdb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

3、建立gdb与gdb server之间的链接

• 在另外一个终端运行gdb，然后在gdb界面中运行如下命令：

• gdb				   #这里一定是在另外一个终端运行，不能在qemu的窗口上输入
  target remote:1234 #则可以建立gdb和gdbserver之间的连接
  c                  #让qemu上的Linux继续运行
  

  可以看到gdb与qemu已经建立了连接。但是由于没有加载符号表，无法根据符号设置断点。下面说明如何加入断点。

4、加载vmlinux中的符号表并设置断点

• 退出之前打开的qemu终端，重新执行第2步 ”在qemu中启动gdb server “

• 在另外一个终端输入如下指令运行gdb，加载符号表

• gdb				   #这里一定是在另外一个终端运行，不能在qemu的窗口上输入
  file ~/oslab/linux-2.6.26/vmlinux   #加载符号表
  target remote:1234 #建立gdb和gdbserver之间的连接
  

• 在gdb界面中设置断点

• break start_kernel
  c                  #继续运行到断点
  

5、重新配置Linux，使之携带调试信息

• 在原来配置的基础上，重新配置Linux，使之携带调试信息

• cd ~/oslab/linux-2.6.26/
  make menuconfig
  	kernel hacking—>
  		[*] compile the kernel with debug info
  

• 重新编译并按照原方法执行

• make
  

• 此时，若按照前面相同的方法来运行，则在start_kernel停下 来后，可以使用list来显示断点处相关的源代码

参考资料

• 内核编译与制作根文件系统

来源：CSDN

作者：peacewind

链接：https://blog.csdn.net/NOStandby/article/details/103751581