qemu单步调试arm64 linux kernel_qemu 调试内核

一、背景和目的

qemu搭建arm64 linux kernel环境-CSDN博客

之前介绍了qemu启动kernel的配置步骤和方法，现在开始我们的调试，这篇文章主要讲解如何单步调试内核，所有的实验还是基于ARM64；

二、环境准备

需要准备host=x86 target = arm64的gdb， 有三种方式：一种是sudo apt install gdb-multiarch;

另外一种是用ARM官网下载交叉编译工具链，其中自带gdb（目前我使用的方式Arm GNU Toolchain Downloads – Arm Developer）; 还有一种是下载gdb源码并编译；

不同的方式有些差异，用apt安装的如果ubuntu比较老，可能存在部分特性不支持（比如ARMv8.5的PAC,BTI等，之前用ubuntu18.04就遇到了）；

注意：使用ARM 官网gdb的伙伴启动时可能会遇到缺少库和python3.8的报错（依赖libncurses5 ，libncursesw5及python3.8），可以参考下面解决（偷懒可以直接安装gdb-multiarch）

三、kernel debug

单步调试kernel 只需要三步：

第一步：qemu启动内核并暂停等待（暂停是可选的，如果不调启动，可以去掉），同时需要建立网络端口等待gdb attach；

第二步：启动gdb（target=arm64）加载对应kernel Image的vmlinux, attach到指定端口即可；

第三步：如果是启动是挂起，直接设置断点即可调试，如果未选择启动暂停，ctrl + c会触发挂起，然后就可以和前面一样，正常设置断点。

qemu启动调试脚本（注意这里有个小坑，直接调试的伙伴直接跳转到最后拷贝即可）

qemu-system-aarch64 \
    -machine virt,virtualization=true,gic-version=3 \
    -nographic \
    -m size=1024M \
    -cpu cortex-a72 \
    -smp 2 \ 
    -kernel Image \
    -drive format=raw,file=rootfs.img \
    -append "root=/dev/vda rw" \
    -s \
    -S
 
可以看到对比之前的启动参数也就是增加了-s 和-S,具体含义如下：
# -s 是-gdb tcp::1234 的简写，如果需要换端口可以用-gdb tcp::1234替换-s参数
# -S 是freeze cpu at startup的指令，也就是kernel 启动时就挂起，等待调试连接，如果不需要调试内核启动，这个参数也
     可以去掉

gdb启动
找到vmlinux所在目录（最好在linux编译的根目录，不要拷贝出来，这样调试源码可以直接显示，不然还要在gdb中设置src path），
geek@geek-virtual-machine:~/workspace/linux/linux-6.6.1$ aarch64-none-linux-gnu-gdb vmlinux

(gdb) target remote :1234
Remote debugging using :1234
0x0000000040000000 in ?? ()
(gdb) b start_kerne
 
然后continue即可停在指定断点，后面就可以step 单步调试了，实际调试时会发现设置的断点start_kernel停不住，ctrl+c 触发挂起时会出现bt无法显示相关符号等问题
 
(gdb) bt
#0  0xffffd43266a17f6c in ?? ()
#1  0xffffd43265ad7ad0 in ?? ()
#2  0x0000000000000002 in ?? ()
Backtrace stopped: previous frame identical to this frame (corrupt stack?)

这里的原因也是经常会遇到和遗忘的，查看kernel log可以看到KASLR字样

[    0.000000] KASLR enabled
[    0.000000] CPU features: kernel page table isolation forced ON by KASLR

KASLR是内核启动添加随机地址保护，启动后实际运行地址和vmlinux 有一个随机偏移值，在gdb中设置断点是基于vmlinux的（这个是不带偏移值的），实际qemu中运行的内核是在这个地址 + 随机偏移值，所以断点无法触发，出现上面的问题；

上面的问题有两种解决方法：

1、是重新编译内核，在arch/arm64/configs/defconfig 中将CONFIG_RANDOMIZE_BASE=y修改成CONFIG_RANDOMIZE_BASE=n

2、是在qemu启动的cmdline中增加nokaslr 参数，通过参数方式关闭

      -append "root=/dev/vda rw nokaslr" \

修改正常后，断点能正确停止，bt调用栈显示正常

(gdb) bt
#0  cpu_do_idle () at arch/arm64/kernel/idle.c:32
#1  0xffff800081017f80 in arch_cpu_idle () at arch/arm64/kernel/idle.c:44
#2  0xffff800081018bcc in default_idle_call () at kernel/sched/idle.c:97
#3  0xffff8000800d7ad0 in cpuidle_idle_call () at kernel/sched/idle.c:170
#4  do_idle () at kernel/sched/idle.c:282
#5  0xffff8000800d7d48 in cpu_startup_entry (state=CPUHP_ONLINE) at kernel/sched/idle.c:380
#6  0xffff800081018eac in rest_init () at init/main.c:726
#7  0xffff800081aa08bc in arch_call_rest_init () at init/main.c:823
Backtrace stopped: previous frame identical to this frame (corrupt stack?)

四、总结

qemu内核调试时需要注意关闭kaslr，更新正确的脚本，也不依赖kenerl config是否开启kaslr

qemu启动脚本（最终版本）：

qemu-system-aarch64 \
    -machine virt,virtualization=true,gic-version=3 \
    -nographic \
    -m size=1024M \
    -cpu cortex-a72 \
    -smp 2 \ 
    -kernel Image \
    -drive format=raw,file=rootfs.img \
    -append "root=/dev/vda rw nokaslr" \
    -s \
    -S

关于kaslr原理相关的知识，有兴趣的伙伴参考 文章 kaslr原理分析