ARM FVP(固定虚拟平台)Linux内核调试简明手册

1. 介绍

Linux作为目前最为流行的开源操作系统,在各大IC厂商和IBM、Google、微软等大公司的大力支持下,支持嵌入式、个人电脑、服务器等众多硬件平台和应用场景,因此得到了广泛的应用。但正是由于其广泛的实用性,Linux内核的复杂程度也与日俱增,仅凭代码阅读、打印、内核调试功能等手段已经很难对Linux内核进行深入理解。

ARM处理器架构是目前应用最为广泛的处理器,而ARM FVP(Fixed Virtual Platform,固定虚拟平台)是ARM公司提供的一款模拟器平台,可以模拟各大常见ARM处理器厂商的处理器和平台,从而使得在没有仿真器的支持下对Linux内核进行调试。

ARM DS-5是ARM公司提供的调试套件,内嵌了FVP,可用于实际硬件环境和模拟器环境的调试。本文集中于使用DS-5对运行在FVP平台上的Linux内核的调试。

本文使用的环境如下:

  • Ubuntu 16.04 LTS(Xenial);
  • DS-5 V5.27.1

关键词:ARM模拟器; Linux内核调试;ARM FVP;ARM DS-5;

2. DS-5准备工作

2.1 DS-5下载安装

1.下载DS-5;

  1. 解压缩安装包:
    tar xzf DS500-BN-00019-r5p0-27rel1.tgz -C <解压缩目录>
    
  2. 进入解压缩目录,执行如下命令进行安装:
    sudo ./install.sh
    
    注意:安装过程中建议都采用会默认设置,DS-5将默认安装到/usr/local/目录下,本文中是在/usr/local/DS-5_v5.27.1/。

2.2 获取序列号

  1. 启动DS-5:

    /usr/local/DS-5_v5.27.1/bin/eclipse &
    

    注意:启动过程中会提示选择workspace,根据需要选择即可,默认为home目录下的DS-5_Workspace。

  2. 申请license:

    • 第一次启动DS-5时,会弹出对话框,提示需要一个有效的序列号,选择Open License Maneger即可打开License管理器;

    选择上图所示的打开License管理器即可。

    • 依次点击菜单Help->ARM License Maneger,打开License管理器;
  3. 在License管理器中选择添加license:


  4. 选择license类型为30天版本:


  5. 选择用于license绑定的网卡:


  6. 注册ARM官网账号并填写账号密码:


    注意

    • 已有账号则无需注册;
    • 注册时ARM会发送一个6位验证码,注册信息主要是邮箱、姓名和单位等;
  7. 账号信息输入正确后会开始联网申请license,成功后显示如下界面,然后确认重启DS-5即可:


3. 调试官方Linux内核demo

3.1 准备

  1. 下载DS-5 Linux Distribution Example;
  2. 依次点击菜单File->Import,进入导入类型选择页面,并选择图中所示类型,点击下一步:
  3. 在已存在工程导入页面选择压缩包方式导入,勾选DS-5扫描出来的distribution工程,并点击Finish完成导入:

    注意
    • DS-5会自动搜索压缩包中的工程,此处是distribution
    • 工程必须手工钩选;
    • 工程不能重复导入同一个worksapce;
    • 完成导入后,源码会被拷贝到workspace目录下:


3.2 创建调试连接和启动FVP

  1. 依次点击菜单Run->Debug Configuration,打开调试配置界面以创建新连接:

    注意

    • 双击或右键点击上图左边栏中箭头所示的DS-5 Debugger创建新连接;
    • 右键点击任何已有连接并选择duplication也可以创建新连接;
    • 新连接可以通过上图中红圈中的Name项来修改。
  2. 在上图所示Connection选项页中选择硬件模型Debug Cortex-A9x4 SMP(ARM vexpress Cortex-A9 4核处理器平台SMP模式),并修改上图所示的模型参数:

    --data "/usr/local/DS-5_v5.27.1/arm/linux_distribution/kernel_ve@0x80008000" --data "/usr/local/DS-5_v5.27.1/arm/linux_distribution/rtsm_ve-cortex_a9x4.dtb@0x80f00000" -C motherboard.mmc.p_mmc_file="/usr/local/DS-5_v5.27.1//arm/linux_distribution/rootfs.image" -C motherboard.vfs2.mount=<DS-5-Workspace> -C motherboard.terminal_3.start_telnet=false -C motherboard.terminal_3.mode=raw -C motherboard.pl011_uart3.untimed_fifos=true -C motherboard.terminal_3.start_port=5003 -C motherboard.smsc_91c111.enabled=1 -C motherboard.hostbridge.userNetworking=1 -C motherboard.hostbridge.userNetPorts="8080=8080"

    注意

    • --data file_path@load_adddress参数用于加载文件到指定的位置;
    • -C parametr=value用于设定模拟器的参数,模拟器参数可以使用如下命令列举出来:

    /usr/local/DS-5_v5.27.1/bin/FVP_VE_Cortex-A9x4 --list-params

  3. 在上图所示Files选项页中设置引导程序和Linux内核符号表:

    注意:引导程序用于对Linux内核进行基本的初始化,并加载操作系统;此处使用DS-5自带的32位bootwrapper,仅用于示例代码。

  4. 设置从内核入口地址启动:


    注意:如果源代码不在工程目录下,则需要设置源码搜索路径。

  5. 点击调试配置界面中的Apply按钮保存配置;

  6. 点击调试配置界面中的Debug按钮或者右键点击调试连接名称选择Connect to Target开始调试。

注意:第一次运行时,会弹出Confirm Perspective Switch对话框,选择Yes即可。

3.3 基本调试操作

  1. 控制界面:用于resume、puase、step、step over等操作。


  2. 命令和命令历史界面:用于显示命令流、命令结果、命令执行历史等。


  1. 信息查看界面1:查看和修改寄存器、断点、变量、函数等。


    注意

    • 寄存器和函数界面中可以使用Ctrl+F唤出搜索框;
    • 寄存器值、变量值、断点地址、函数名称等均可右键唤出相关菜单,执行反汇编、查看内存、跳转等操作。
  2. 信息查看界面2:查看函数调用栈、函数大纲、事件、内存等,修改内存内容,并可实时显示当前对应的汇编指令和跳转到指定的汇编指令等。


  3. 源码跟踪界面:显示源码级实时跟踪、设置断点、强制跳转等。


  4. 终端界面:显示终端和错误记录。


4. 调试自定义Linux内核

此处以64位处理器ARM Cortex-A53处理器为例,给予官方demo进行调整后,对32位Linux内核进行调试。

4.1 编译bootwrapper

由于自带的bootwrapper仅支持32位处理器,因此必须自己编译64位版本。

  1. kernel.org bootwrapper项目克隆源码:

    git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/mark/boot-wrapper-aarch64.git

  2. 配置bootwrapper:

    cd boot-wrapper-aarch64
    ./configure --host=aarch64-linux-gnu --with-kernel-dir=~/tmp/linux-32/tmparm --with-dtb=~/tmp/fvp-base-gicv3-psci.dtb --enable-gicv3

    注意

    • --host用于指定编译工具;
    • --with-kernel-dir用于指定内核映像目录,--with-dtb用于指定DTB文件,从而将这些文件链接到中最终的image文件中;
    • 更多配置选项可以通过./configure --help获取;
    • 模拟器对应的硬件平台的DTB文件可以从Linaro发行版目录下载,例如本例所用的DTB文件来自于archive/14.09/openembedded/aarch64/
  3. 编译

    make

4.2 创建调试连接和启动FVP

基于3.2章节流程,进行如下修改:

  1. Connection选项页中选择硬件模型Debug Cortex-A53,并修改上图所示的模型参数:

    注意-C bp.secure_memory=false用于解决模拟器报错:

  2. Files选项页中设置引导程序和符号表:

  3. 设置从入口地址启动和源码搜索路径:


4.3 调试32位Linux内核

A53模拟器启动后工作在64位EL3模式下,不能加载32位符号表:


因此,必须以如下方式加载:

  1. 在bootwrapper的模式切换指令处设置断点:


  2. 单步执行进入32位模式后,在命令和命令历史界面的命令输入框中手动加载Linux内核的符号表:


    注意

    • 在处理器模式切换后,符号表可能失效,因此需要再次加载符号表;
    • add-symbol命令用于加载符号表到指定的位置,格式为add-symbol-file filename [offset] [-s section address]...;其中,offset用于指定符号表中链接地址的偏移量,具体使用方法参见Help信息中ARM DS-5 Documentation > ARM DS-5 Debugger > Debugger Command Reference > DS-5 Debugger commands > DS-5 Debugger commands listed in alphabetical order章节。
  3. 继续跟踪源码:


4. 结语

相对与其他模拟器平台,例如QEMU,FVP对ARM处理器的支持更为完善和强大,即使需要注册和30天序列号的限制,仍然不失为研究Linux内核的一款利器。

参考文献

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