gdb调试工作机制 1

gdb调试工作机制 1
2011年01月25日
　　Gdb,只要在linux下编过程序的应该都用过，估计大家也多对这个软件有着好奇的念头。其实gdb本身也不是那么强大，它大部分都是使用linux操作系统所带有的东西实现，其实稍加时间，自己编写一个简易的调试器也不是太难的事。今天就讲下内核中有关调试实现的机制，然后谈下gdb如何使用这些已有的东西达到调试效果以及推广到硬件调试器
　　。
　　首先让我们想一下，什么是调试，如何达到调试效果？调试有两个目的： 1．让程序在运行到我们想要停的地方停下来：
　　2．停下来后读取系统的各种信息。 停下来有两种：
　　一是断点，一是观察点。
　　如果是硬件调试，这两种非常相似，只不过一种是检测内存读写，一种是检测取指令，从流水线角度看就是：断点在取指阶段，观察点在执行阶段。
　　如果是软件调试，断点是替换为trap指令，而观察点则不一样的意思了，只是看这个观察点的值，而不是当观察点的值发生变化时停止。
　　要让程序运行到指定地址时停止执行（对于硬件是指cpu不执行，对于软件是调试程序进程不执行，cpu还是在执行） ，有两种方式：
　　一种是利用cpu带有的调试功能，比如x86的eflags寄存器的TF标志位，arm的观察点寄存器组等等
　　。
　　二是使用软件陷入中断。
　　X86的调试状态是产生中断，这样在中断处理程序就可以控制调试，而arm的调试状态是将时钟更改为由jtag的dclk提供,而这个jtag的dclk是由我们执行jtag相关操作产生，从而我们能够控制调试。上面的两种方式都是需要实现一个功能，那就是当进入调试状态时能够让我们知道，并且由我们控制，arm进入debug状态时，调试器要轮询debug status register来判断是否进入debug模式了。
　　事实上对于断点，上面的两种架构都没有采用硬件实现方式，为什么？对于x86,其实只有单步调试机制，没有断点设置机制，这是就得在需要设断点的地方设置int3中断控制程序，对于arm，虽然有断点（观察点）硬件机制，但是进入调试状态后必须由jtag（DCLK）控制，程序无法控制，所以仍然不能使用硬件，使用的是F001 sys_call系统调用。
　　具体实现是在断点处加入int 3，int 80等trap指令，然后在这些中断的处理程序中给被调试程序发trap信号，这样在中断返回时处理trap信号时，被调试进程会suspend(只要是ptrace状态，所有信号（除了kill信号外）),并通知调试程序（gdb）。 使用TF标志位实现，这个
　　Tflag寄存器
　　TF(Trap Flag)--位8，跟踪标志。置1 则开启单步执行调试模式，置0 则关闭。在单步执行模式下，处理器在每条指令后产生一个调试异常，这样在每条指令执行后都可以查看执行程序的状态。如果程序用POPF、POPFD 或者ET 指令设置TF 标志，那么这之后的第一条指令就会产生调试异常。
　　这样我们只需在调试异常中断时suspend被调试程序，通知调试程序即可实现单步。 由于arm硬件没有单步的实现机制，故还是得像断点一样，将下一次要执行的指令地址设置为断点，这个断点和一般断点的区别是它是临时的，执行完下一指令后不用再恢复为断点，既然要知道下一条指令的地址，就需要有预测机制，即从当前指令判断出下次会执行哪一条指令，由于预测一是涉及到b xx,ld pc等指令还有是条件项，由于判断条件得不偿失，我们一般设置两个断点，即在条件两个分支都设置断点，这样不管条件是什么，都会进入debug。
　　set_system_intr_gate(3, &int3); /* int3-5 can be called from all */              ENTRY(int3)         pushl $-1                     # mark this as an int         SAVE_ALL         xorl %edx,%edx           # zero error code         movl %esp,%eax         # pt_regs pointer        call do_int3         jmp ret_from_exception        也就是说int 3会进入do_int3
　　DO_VM86_ERROR( 3, SIGTRAP, "int3", int3)
　　／／这个宏就会生成do_int3函数。
　　#define DO_VM86_ERROR(trapnr, signr, str, name) \
　　fastcall void do_##name(struct pt_regs * regs, long error_code) \
　　{ \
　　if (notify_die(DIE_TRAP, str, regs, error_code, trapnr, signr) \
　　== NOTIFY_STOP) \
　　return; \
　　do_trap(trapnr, signr, str, 1, regs, error_code, NULL); \
　　}
　　do_trap会给被调试进程发SIGTRAP信号：
　　static void do_trap(int trapnr, int signr, char *str, int vm86,
　　struct pt_regs * regs, long error_code, siginfo_t *info)
　　{
　　struct task_struct *tsk = current;
　　tsk->thread.error_code = error_code;
　　tsk->thread.trap_no = trapnr;
　　if (regs->eflags & VM_MASK) {
　　if (vm86)
　　goto vm86_trap;
　　goto trap_signal;
　　}
　　if (!user_mode(regs))
　　goto kernel_trap;
　　trap_signal: {
　　if (info)
　　force_sig_info(signr, info, tsk);
　　else
　　force_sig(signr, tsk);
　　return;
　　//给被调试进程发sigtrap信号
　　}
　　kernel_trap: {
　　if (!fixup_exception(regs))
　　die(str, regs, error_code);
　　return;
　　}
　　vm86_trap: {
　　int ret = handle_vm86_trap((struct kernel_vm86_regs *) regs, error_code, trapnr);
　　if (ret) goto trap_signal;
　　return;
　　}
　　}
　　然后调试中断返回时执行下面这个信号处理函数（每次从内核态到用户态会执行）：
　　int fastcall do_signal(struct pt_regs *r