Powerpc构架系统内核和内核模块调试

 

作者：易松华,华清远见嵌入式学院深圳中心讲师。

说明：

此文档的目标系统为freescale MPC8349E-mITX,对其他采用POWERPC,MIPS，ARM的芯片的系统亦具有参考意义。 此文档中内核调试为了简化，采用目标系统中的UBOOT初始化目标板，并通过UBOOT或者BDI2000加载内核到目标板的RAM中。

1. BDI2000配置：

下面是MPC8349E-mITX的BDI2000配置文件，

; BDI-2000 Configuration file for the MPC8349E-mITX

; Tip: If after a reset, the BDI-2000 fails to halt at 0x100,
        ; you may need to power-down the board for a few seconds.

[INIT]
        ; we use UBOOT to initialize the board
        [TARGET]
        CPUTYPE     8349
        JTAGCLOCK   1
        ;STARTUP     RESET
        STARTUP          RUN
        BREAKMODE   HARD
        STEPMODE    HWBP
        BOOTADDR    0x00000100
        ;If you're getting "Writing to workspace failed" errors during flash operations,
        ;then try uncommenting this line instead.  This moves the flash window to
        ;high memory, leaving low memory available for DDR.
        RCW         0xb060a000 0x04040000 ;Set the HRCW to boot the image at 0xFE000000

MMU         XLAT ;0xc0000000
        PTBASE      0xf0 ;
        [HOST]
        IP          192.168.7.90
        FILE       $u-boot.bin
        LOAD       MANUAL
        PROMPT       8349E-mITX-GP>
        DUMP      itx-dump.bin

[FLASH]
        CHIPTYPE    AM29BX16
        CHIPSIZE    0x800000
        BUSWIDTH    16
        ;WORKSPACE    0x1000
         FORMAT      BIN 0xfe000000

;flash_image.bin is an image file of an entire 8MB flash region.
        ;Flash this file at 0xfe0000000 to restore all of flash.
        ;ERASE 0xFE000000 0x10000 127 ; 127 sectors @ 64KB each
        ;ERASE 0xFE7F0000 0x2000 8 ; 8 sectors @ 8KB each
        ;FILE $flash_image.bin

;Use these lines if you just want to flash U-Boot
        ERASE       0xfe000000 0x10000? 4; Erase 384KB, each sector is 64KB
        FILE?         mpc8349e/u-boot131-mitx-gp.bin
        [REGS]
        FILE          $reg8349e.def

以上配置文件的【HOST】段的IP要改为主机IP，关键的字段MMU XLAT 和PTBASE 是POWERPC和MIPS经常需要设置的，关于PTBASE的具体设置，超出本文范围，详细情况请参考BDI2000的手册

2.内核修改和配置

为了能够调试内核，需要在内核中的Makefile中增加如下调试选项：
         CFLAGS 增加C代码调试选项-g –ggdb
         AFLAGS 增加汇编代码调试选项：-Wa,-L -gdwarf-2
         去掉CFLAGS编译选项中-fomit-frame-pointer

GCC的-fomit-frame-pointer选项是优化函数栈回溯(stack backtrace)的，我们调试的时候需要提供函数回溯能力，所以我们要去掉这个选项，当然，有的系统系统不受它的影响，或者说它不起作用，为了统一，我们统一去掉它。

相对个案来说，我是做如下改动的：

--- Makefile  2008-07-08 03:07:38.000000000 +0800
        +++ Makefile.debug      2008-07-08 03:06:04.000000000 +0800
        …
        -CPPFLAGS        := -D__KERNEL__ $(LINUXINCLUDE)
        +ifdef CONFIG_DEBUG_INFO
        +
        +  CPPFLAGS        := -D__KERNEL__ $(LINUXINCLUDE) -g -ggdb

        -CFLAGS            := -Wall -Wundef -Wstrict-prototypes -Wno-trigraphs \
        +  CFLAGS         := $(CPPFLAGS) -Wall -Wundef -Wstrict-prototypes -Wno-trigraphs \
        -fno-strict-aliasing -fno-common
        -AFLAGS          := -D__ASSEMBLY__
        +  AFLAGS         := -D__ASSEMBLY__ -Wa,-L -gdwarf-2
        +else
        +  CPPFLAGS         := -D__KERNEL__ $(LINUXINCLUDE)

        +  CFLAGS          := -Wall -Wundef -Wstrict-prototypes -Wno-trigraphs \
        +                   -fno-strict-aliasing -fno-common
        +  AFLAGS          := -D__ASSEMBLY__
        +
        +endif
        …
        @@ -491,27 +500,33 @@
        # Defaults vmlinux but it is usually overridden in the arch makefile
        all: vmlinux

        -ifdef CONFIG_CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE
        -CFLAGS                 += -Os
        -else
        -CFLAGS                 += -O2
        -endif

        include $(srctree)/arch/$(ARCH)/Makefile

        -ifdef CONFIG_FRAME_POINTER
        -CFLAGS                 += -fno-omit-frame-pointer $(call cc-option,-fno-optimize-sibling-calls,)
        -else
        -CFLAGS                 += -fomit-frame-pointer
        -endif

        ifdef CONFIG_UNWIND_INFO
        CFLAGS                 += -fasynchronous-unwind-tables
        endif

        -ifdef CONFIG_DEBUG_INFO
        -CFLAGS                 += -g
        -endif
        +#ifdef CONFIG_DEBUG_INFO
        +CFLAGS          += -fno-omit-frame-pointer $(call cc-option,-fno-optimize-sibling-calls,)
        +CFLAGS                 += -g -ggdb
        +CFLAGS                 += -O
        +#else
        +
        +#         ifdef CONFIG_FRAME_POINTER
        +          CFLAGS          += -fno-omit-frame-pointer $(call cc-option,-fno-optimize-sibling-calls,)
        +#          else
        +          CFLAGS         += -fomit-frame-pointer
        +#          endif
        + 
        +#          ifdef CONFIG_CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE
        +          CFLAGS          += -Os
        +#          else
        +  CFLAGS          += -O2
        +#          endif
        +
        +#endif

通过以上修改后，系统的的调试信息简单的通过CONFIG_DEBUG_INFO宏来控制了，那么CONFIG_DEBUG_INFO宏又是从哪里来的呢？它其实是从内核的配置文件.config里面来的。

一般内核通过make menuconfig做配置的时候，都有

Kernel hacking --->
          [*] Kernel debugging
          [*] Compile the kernel with debug info
          [*] Force gcc to inline functions marked 'inline' （2.6比较新的内核有这一项）
          [*] Include BDI-2000 user context switcher （有的系统直接提供了这个选项，它和BDI2000的PTBASE设置配合）

通过保存后，以上选项会生成如下配置选项：
          CONFIG_DEBUG_KERNEL=y
          CONFIG_DEBUG_INFO=y
          CONFIG_FORCED_INLINING=y
          CONFIG_BDI_SWITCH=y

值得关注的是PowerPC内核中CONFIG_BDI_SWITCH,它到底在内核中怎样起作用的？

我们看arch/powerpc/kernel/head_32.S的关键代码：
        …
        /* Load up the kernel context */
        2: bl     load_up_mmu

#ifdef CONFIG_BDI_SWITCH
                /* Add helper information for the Abatron bdiGDB debugger.
                * We do this here because we know the mmu is disabled, and
                * will be enabled for real in just a few instructions.
                */
                lis    r5, abatron_pteptrs@h
                ori   r5, r5, abatron_pteptrs@l
                stw  r5, 0xf0(r0)??? /* This much match your Abatron config */
                lis    r6, swapper_pg_dir@h
                ori   r6, r6, swapper_pg_dir@l
                tophys(r5, r5)
                stw  r6, 0(r5)
        #endif /* CONFIG_BDI_SWITCH */

/* Now turn on the MMU for real! */
        …

它在MMU真正时能之前先增加了BDI2000帮助信息。在arch/powerpc/kernel/head_32.S的最后通过abatron_pteptrs保留了8个自己的空间给BDI2000用于保存2个页表指针，如下:

/* Room for two PTE pointers, usually the kernel and current user pointers
        * to their respective root page table.
        */
        abatron_pteptrs:
                .space 8

3. 内核调试

通过以上的准备工作，就可以进行内核和模块的调试了，内核调试步骤如下：

说明：下面的步骤中

        8349E-mITX-GP> 表示BDI2000的命令行窗口
        [root@newhost misc-modules]# 表示开发主机
                DDD> 或GDB> 表示是开发主机上的DDD的调试窗口中
                root@mpc8349emitxgp:~# 表示目标系统中

1. 获取恰当的断点设置位置：
        [shyi@newhost pro50_mpc8349_kernel]$ cat System.map |grep start_kernel
        c03b05dc T start_kernel #得到start_kernel的虚拟地址

2.设置断点，加载内核，启动DDD的连接

8349E-mITX-GP>reset
        8349E-mITX-GP>halt
        8349E-mITX-GP>bi 0xc03b05dc （这个值是由System.map中的start_kernel的地址而来的）
        8349E-mITX-GP>go
        - TARGET: stopped   #提示系统进入断点了
        8349E-mITX-GP>info
                Target CPU      : MPC83xx (e300c1)
                Target state      : debug mode
                Debug entry cause : instruction address breakpoint
                Current PC        : 0xc03b05dc
                Current CR      : 0x44044022
                Current MSR      : 0x00001032
                Current LR      : 0x00003438
        8349E-mITX-GP>

# 这时串口可看打到打印信息如：

    Uncompressing Kernel Image ... OK
            Booting using the fdt at 0xc00000
            Loading Device Tree to 007fc000, end 007fefff ... OK

图形系统中启动DDD

[root@newhost scull]# cd /opt/pro50/montavista/pro/devkit/ppc/83xx/target/root/examples/misc-modules
        [root@newhost misc-modules]# ddd --debugger ppc_83xx-gdb –gdb /home/shyi/workspace/pro50_mpc8349_kernel/vmlinux
        (gdb)target remote 192.168.7.64:2001 (其中192.168.7.64:2001为BDI2000的IP和调试端口)

8349E-mITX-GP>ci

        8349E-mITX-GP>break soft #改变为软断点方式

这时候可以在DDD>图形界面里面最右边点击鼠标右键来设置断点，如图：

（注意：系统有些地方不能停住，需要在合适的位置来设置断点）
        (gdb)cont

这时候系统就会停止在断点设置的地方，接下来就可以进行内核断点调试了，如下图：

4．内核模块的调试

使用LDD3的jit.c模块进行调试的演示，DDD（或者说GDB）GDB的初始化脚本放置在~/.gdbinit：

其中.gdbinit的内容如下：

define lsmod
          printf "Address\t\tModule\n"
          set $m=(struct list_head *)&modules
          set $done=0
          while ( !$done )
          # list_head is 4-bytes into struct module
            set $mp=(struct module *)((char *)$m->next - (char *)4)
            printf "0x%08X\t%s\n", $mp, $mp->name
            if ($mp->list->next == &modules)
              set $done=1
            end
            set $m=$m->next
          end
        end

define addmodulesymbols
          set $myModule=(struct module*) $arg0
          set $myAddr=$myModule->module_core
          add-symbol-file $arg1 $myAddr
        end
        document addmodulesymbols
        Adds the symbols for a module to the kernel.equires two parameters:
          addmodulesymbols  <0xAddress>  <.ko-file>
        end
        (说明： 定义了lsmod和addmodulesymbols 2个宏，并且定义了addmodulesymbols的帮助文档)

内核模块调试前面的步骤和内核调试完全一致，先要在start_kernel的地方设置断点，然后让内核能进行调试，接下来：
        # 按DDD的<Cont>按钮继续内核的运行

在内核起来之后→

root@mpc8349emitxgp:~# cd /root/examples/misc-modules
        root@mpc8349emitxgp:~/examples/scull# insmod ./jit.ko

然后在DDD下按<CTRL+C>→
        (gdb) lsmod
        Address          Module
        0xD106FB00     jit
        0xD25EE500     ipv6
        (gdb) addmodulesymbols 0xd106fb00 ./jit.ko
        add symbol table from file "./jit.ko" at
                .text_addr = 0xd106e000

(注意启动DDD的时候要在此调试模块的目录下，否则要指定jit.ko在主机上的绝对路径位置)

(gdb) b jit_currentime
        (gdb)cont

在目标平台输出终端上→
        root@mpc8349emitxgp:~/examples/misc-modules# cat /proc/currentime
        此时执行停住了，接下来我就可以在DDD中跟踪驱动的执行了。如下图：