使用QEMU+GDB断点调试Linux内核代码

一、篇头

日常工作中对于内核的调试，大部分情况下只能使用printk来追加打印。而如果只是学习内核代码的话，则可以借助QEMU虚拟机+GDB的配置，来做到断点调试，同时又不需要额外购置任何设备，例如开发板、JTAG等等。

二、环境配置

2.1 安装QEMU

$ sudo apt-get install qemu-system-arm

2.2 安装编译工具链

• 下载地址：https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/
• 本文采用的linux kerenl源码为 4.0版本，其支持的最高工具链版本为 gcc-linaro-5.x.x 版本

# （1）下载 gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_arm-linux-gnueabi.tar.xz 版本
wget https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/5.5-2017.10/arm-linux-gnueabi/gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_arm-linux-gnueabi.tar.xz

# （2）解压到 home/szhou/works/test_tools/

# （3）解压后 export 路径
export CROSS_COMPILE=/home/szhou/works/test_tools/gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_arm-linux-gnueabi/bin/arm-linux-gnueabi-

三、编译内核

3.1 编译配置

szhou@bc01:~/works/linuxkernel_4.0$ export ARCH=arm
szhou@bc01:~/works/linuxkernel_4.0$ export CROSS_COMPILE=/home/szhou/works/test_tools/gcc-linaro-5.5.0-2017.10-x86_64_arm-linux-gnueabi/bin/arm-linux-gnueabi-
szhou@bc01:~/works/linuxkernel_4.0$ make vexpress_defconfig
  HOSTCC  scripts/basic/fixdep
  HOSTCC  scripts/kconfig/conf.o
  SHIPPED scripts/kconfig/zconf.tab.c
  SHIPPED scripts/kconfig/zconf.lex.c
  SHIPPED scripts/kconfig/zconf.hash.c
  HOSTCC  scripts/kconfig/zconf.tab.o
  HOSTLD  scripts/kconfig/conf
arch/arm/Kconfig:1399:warning: 'HZ_FIXED': number is invalid
arch/arm/Kconfig:1400:warning: 'HZ_FIXED': number is invalid
#
# configuration written to .config
#
szhou@bc01:~/works/linuxkernel_4.0$ 

3.2 编译

#（1） 编译命令
szhou@bc01:~/works/linuxkernel_4.0$ make -j24

#（2） 编译成功

  AS      arch/arm/boot/compressed/lib1funcs.o
  AS      arch/arm/boot/compressed/ashldi3.o
  AS      arch/arm/boot/compressed/bswapsdi2.o
  LD [M]  mm/kmemleak-test.ko
  AS      arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip.o
  LD      arch/arm/boot/compressed/vmlinux
  OBJCOPY arch/arm/boot/zImage
  Kernel: arch/arm/boot/zImage is ready

四、GDB断点调试

4.1 启动内核

下面命令执行后，其启动QEMU虚拟机并加载了所编译的内核镜像，同时通过大小S参数，会开启GDB远程调试服务，并且让内核的启动冻住，等待GDB客户端对其进行调试。

• 参数 -S：表示QEMU虚拟机会冻结CPU，直到远程的GDB输入相应的控制命令。
• 参数 -s：表示在1234端口接受GDB的调试连接。

qemu-system-arm -nographic -M vexpress-a9 -m 1024M -kernel arch/arm/boot/zImage -append "rdinit=/linuxrc console=ttyAMA0 loglevel=8" -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -S -s

4.2 GDB远程连接

另外启动一个终端，如下操作，如下图所示，内核启动后停留在了start_kernel函数入口处

$ cd /works/linuxkernel_4.0
$ gdb-multiarch --tui vmlinux
(gdb) set architecture arm　　　　　　　 <= 设置GDB为ARM架构
(gdb) target remote localhost:1234　　　<= 通过1234端口远程连接到QEMU平台
(gdb) b start_kernel　　　　　　　　　　 <= 在内核的start_kernel处设置断点
(gdb) c                                 <= 继续运行，如下图所示，内核启动后停留在了start_kernel函数入口处

五、 附录

1. 查看内核版本号

szhou@bc01:~/works/$ cat /proc/version
Linux version 5.19.0-35-generic (buildd@lcy02-amd64-020) (x86_64-linux-gnu-gcc (Ubuntu 11.3.0-1ubuntu1~22.04) 11.3.0, GNU ld (GNU Binutils for Ubuntu) 2.38) #36~22.04.1-Ubuntu SMP PREEMPT_DYNAMIC Fri Feb 17 15:17:25 UTC 2

2. 编译器 gnueabi和gnueabihf的区别

• gcc-arm-linux-gnueabi – The GNU C compiler for armel architecture
• gcc-arm-linux-gnueabihf – The GNU C compiler for armhf architecture

可见这两个交叉编译器适用于armel和armhf两个不同的架构, armel和armhf这两种架构在对待浮点运算采取了不同的策略(有fpu的arm才能支持这两种浮点运算策略)
其实这两个交叉编译器只不过是gcc的选项-mfloat-abi的默认值不同. gcc的选项-mfloat-abi有三种值soft,softfp,hard(其中后两者都要求arm里有fpu浮点运算单元,soft与后两者是兼容的，但softfp和hard两种模式互不兼容)：
soft : 不用fpu进行浮点计算，即使有fpu浮点运算单元也不用,而是使用软件模式。
softfp : armel架构(对应的编译器为gcc-arm-linux-gnueabi)采用的默认值，用fpu计算，但是传参数用普通寄存器传，这样中断的时候，只需要保存普通寄存器，中断负荷小，但是参数需要转换成浮点的再计算。
hard : armhf架构(对应的编译器gcc-arm-linux-gnueabihf)采用的默认值，用fpu计算，传参数也用fpu中的浮点寄存器传，省去了转换, 性能最好，但是中断负荷高。
原文： arm-linux-gnueabi 和 arm-linux-gnueabihf 的区别