嵌入式：Linux內核調試技(ji)術與案例分析
時間：2024-11-12 ; 來(lai)源：華清(qing)遠見
在嵌入(ru)式系統的(de)(de)開(kai)發中，Linux內(nei)核(he)(he)調(diao)試是一(yi)(yi)個至關(guan)重(zhong)要的(de)(de)環節。隨著處理器(qi)技(ji)術(shu)的(de)(de)不斷進步和嵌入(ru)式領域的(de)(de)蓬勃發展，掌握(wo)有效的(de)(de)內(nei)核(he)(he)調(diao)試技(ji)術(shu)成為了開(kai)發者們的(de)(de)一(yi)(yi)項必備(bei)技(ji)能。本文將介(jie)紹幾種(zhong)常見的(de)(de)Linux內(nei)核(he)(he)調(diao)試技(ji)術(shu)，并通(tong)過(guo)一(yi)(yi)個案例分析(xi)來(lai)加(jia)深理解。
一、常見的Linux內核調試技術
1.printk()調試技術
printk()是調試內核(he)代碼時最常用(yong)的(de)(de)技術之一(yi)。通過在內核(he)代碼中的(de)(de)特(te)定位(wei)置加(jia)入printk()調用(yong)，可以直接將關心(xin)的(de)(de)信息(xi)打印(yin)到屏幕上，從而觀(guan)察程(cheng)序的(de)(de)執行路徑和變(bian)量的(de)(de)變(bian)化(hua)情況。printk()類似于用(yong)戶(hu)空間的(de)(de)printf()，但它在內核(he)空間使用(yong)，并受到內核(he)日志系統的(de)(de)管理。
2. Linux內核調試器（KDB）
KDB是Linux內(nei)(nei)核的(de)一(yi)個(ge)補丁(ding)，提供了一(yi)種(zhong)在系(xi)統運行時(shi)對內(nei)(nei)核內(nei)(nei)存和數據結構進行檢(jian)查(cha)的(de)方法。它(ta)允許開發者設置斷點、檢(jian)查(cha)內(nei)(nei)存值(zhi)、單步執行等(deng)，從而(er)更(geng)深入地了解(jie)內(nei)(nei)核的(de)運行狀(zhuang)態(tai)。不過，由(you)于KDB會對內(nei)(nei)核代碼進行修改(gai)，因此在使(shi)用(yong)時(shi)需(xu)要(yao)謹慎。
3. Kprobes
Kprobes提(ti)供(gong)了(le)一個強行進入任何內(nei)(nei)(nei)核例(li)程并從中斷處理器無干擾地收(shou)集信息(xi)(xi)的接口。使用(yong)Kprobes可(ke)以(yi)輕松地收(shou)集處理器寄存(cun)器和全局數據結構等調(diao)試(shi)信息(xi)(xi)，而(er)無需頻繁編譯和啟動Linux內(nei)(nei)(nei)核。這使得(de)Kprobes成為了(le)一種高效且靈活的內(nei)(nei)(nei)核調(diao)試(shi)工具。
4. KGDB
KGDB提供了一(yi)(yi)種使用GDB調(diao)(diao)試Linux內(nei)核的(de)機(ji)(ji)制。通過(guo)KGDB，開(kai)發(fa)者可以(yi)在內(nei)核中(zhong)設置斷點、檢(jian)查變(bian)量值、單步跟蹤程序運(yun)行等(deng)，就(jiu)像(xiang)調(diao)(diao)試普通的(de)應(ying)用程序一(yi)(yi)樣。KGDB需(xu)要兩臺(tai)(tai)機(ji)(ji)器(qi)：一(yi)(yi)臺(tai)(tai)作為開(kai)發(fa)機(ji)(ji)，另一(yi)(yi)臺(tai)(tai)作為目標(biao)機(ji)(ji)。兩臺(tai)(tai)機(ji)(ji)器(qi)之間通過(guo)串口或(huo)以(yi)太網口相連，調(diao)(diao)試過(guo)程中(zhong)被調(diao)(diao)試的(de)內(nei)核運(yun)行在目標(biao)機(ji)(ji)上，GDB調(diao)(diao)試器(qi)運(yun)行在開(kai)發(fa)機(ji)(ji)上。
二、使用KDB進行Linux內核調試
1. 案例背景
假(jia)設我們(men)正在(zai)開發一(yi)個嵌入式(shi)Linux系(xi)統(tong)，該系(xi)統(tong)基于ARM架構，并(bing)包含了一(yi)個特定(ding)(ding)的(de)SPI（Serial Peripheral Interface）控(kong)制(zhi)器(qi)驅動。在(zai)測試過程中，我們(men)發現當SPI設備嘗(chang)試進行數據傳輸(shu)時(shi)，系(xi)統(tong)會(hui)不穩定(ding)(ding)，甚至可能出現崩潰。為(wei)了解決這個問題，我們(men)需(xu)要深入內核(he)進行調試，找出導致(zhi)問題的(de)根本原因。
2. 調試環境準備
硬件：ARM架構的開發板，連接了SPI設備和(he)串口調試器。
軟件：Linux內核源碼（已包含KDB調試(shi)模塊），GDB調試(shi)器(qi)，串口(kou)終端工具。
3. KDB配置與啟動
內核配置：在內核配置菜單中(zhong)(zhong)啟用KDB相(xiang)關的選項(xiang)，如(ru)CONFIG_KGDB、CONFIG_KGDB_KDB、CONFIG_KGDB_SERIAL_CONSOLE等。同時，還需(xu)要(yao)確保SPI控(kong)制器驅(qu)(qu)動(dong)和SPI設備驅(qu)(qu)動(dong)已被(bei)添加(jia)到內核中(zhong)(zhong)。
啟動(dong)參數：在(zai)開發板啟動(dong)時，通過命令行參數指定KDB使(shi)用的串口和波特率，例如kgdboc=ttyS0,115200。
進入(ru)KDB：在開發板啟動后，通過向/proc/sysrq-trigger寫(xie)入(ru)字符(fu)'g'來觸發sysrq命令，進入(ru)KDB調試器。例如，在串(chuan)口終端中輸(shu)入(ru)echo g > /proc/sysrq-trigger
4. 調試過程
設置(zhi)斷點：在PC上啟動GDB調試器，并連接到開發板上的(de)KDB。然(ran)后(hou)，在GDB中(zhong)設置(zhi)斷點，以便在SPI數(shu)據傳(chuan)輸函(han)數(shu)（如bcm2835_spi_transfer_one）被調用時暫停執行。
gdb-multiarch vmlinux --ex "target remote /dev/pts/X" # X為實(shi)際(ji)的(de)串口設(she)備號
(gdb) b bcm2835_spi_transfer_one
觸發(fa)中斷：在開(kai)發(fa)板(ban)上執行一個操(cao)作，以(yi)觸發(fa)SPI數據傳輸。這可以(yi)通過(guo)向SPI設備發(fa)送(song)數據或讀取(qu)數據來(lai)實(shi)現。
捕(bu)獲斷點并調試：當(dang)GDB捕(bu)獲到(dao)斷點時，它(ta)將暫(zan)停(ting)開發板(ban)上的(de)內核執行。此(ci)時，可以使用GDB命令來檢查當(dang)前的(de)系統(tong)狀態，如調用棧、寄存器內容(rong)、內存值等。
gdb) bt # 查看調用(yong)棧
(gdb) rd # 查看寄存(cun)器內(nei)容
(gdb) md <address> # 查看內(nei)存內(nei)容
單步執(zhi)行(xing)(xing)與(yu)修改：如果需要(yao)更(geng)深入地(di)了解問題發生的上下文，可以(yi)使(shi)用KDB的單步執(zhi)行(xing)(xing)命(ming)令（如ss）來(lai)逐(zhu)條執(zhi)行(xing)(xing)指(zhi)令。此外(wai)，還可以(yi)使(shi)用KDB的內存(cun)修改命(ming)令（如mm）來(lai)修改內存(cun)中的值，以(yi)觀察(cha)這些(xie)修改對(dui)系統行(xing)(xing)為的影響。
問(wen)題(ti)定(ding)位與修(xiu)復：通過(guo)分析調(diao)用(yong)棧、寄存器內(nei)容(rong)和內(nei)存值等信(xin)息(xi)，我們可以定(ding)位到導(dao)致(zhi)系統不穩定(ding)的具體代碼位置。然后，根據(ju)這些(xie)信(xin)息(xi)對內(nei)核代碼進行修(xiu)復和優化。
5. 調試結果
經過(guo)(guo)上述(shu)調試過(guo)(guo)程，我們(men)發現SPI控制器驅動中存在(zai)一個競(jing)態條件，導致在(zai)數(shu)據(ju)(ju)傳輸過(guo)(guo)程中出現了數(shu)據(ju)(ju)錯(cuo)亂和系(xi)(xi)統不穩定的(de)問題。通過(guo)(guo)修復這個競(jing)態條件并(bing)重新(xin)測試，我們(men)成功解決了這個問題，并(bing)使系(xi)(xi)統能(neng)夠(gou)穩定地進行SPI數(shu)據(ju)(ju)傳輸。
