ARM FVP(固定虛擬平臺)Linux內核調試簡明手冊

• 1. 介紹
• 2. DS-5準備工做
  • 2.1 DS-5下載安裝
  • 2.2 獲取序列號
• 3. 調試官方Linux內核demo
  • 3.1 準備
  • 3.2 建立調試鏈接和啓動FVP
  • 3.3 基本調試操做
• 4. 調試自定義Linux內核
  • 4.1 編譯bootwrapper
  • 4.2 建立調試鏈接和啓動FVP
  • 4.3 調試32位Linux內核
• 4. 結語
• 參考文獻

1. 介紹

Linux做爲目前最爲流行的開源操做系統，在各大IC廠商和IBM、Google、微軟等大公司的大力支持下，支持嵌入式、我的電腦、服務器等衆多硬件平臺和應用場景，所以獲得了普遍的應用。但正是因爲其普遍的實用性，Linux內核的複雜程度也與日俱增，僅憑代碼閱讀、打印、內核調試功能等手段已經很難對Linux內核進行深刻理解。

ARM處理器架構是目前應用最爲普遍的處理器，而ARM FVP（Fixed Virtual Platform，固定虛擬平臺）是ARM公司提供的一款模擬器平臺，能夠模擬各大常見ARM處理器廠商的處理器和平臺，從而使得在沒有仿真器的支持下對Linux內核進行調試。

ARM DS-5是ARM公司提供的調試套件，內嵌了FVP，可用於實際硬件環境和模擬器環境的調試。本文集中於使用DS-5對運行在FVP平臺上的Linux內核的調試。

本文使用的環境以下：

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

關鍵詞：ARM模擬器; Linux內核調試；ARM FVP；ARM DS-5；

2. DS-5準備工做

2.1 DS-5下載安裝

1.下載DS-5;

1. 解壓縮安裝包:
   tar xzf DS500-BN-00019-r5p0-27rel1.tgz -C <解壓縮目錄>
2. 進入解壓縮目錄，執行以下命令進行安裝：
   sudo ./install.sh
   注意：安裝過程當中建議都採用會默認設置，DS-5將默認安裝到/usr/local/目錄下，本文中是在/usr/local/DS-5_v5.27.1/。

2.2 獲取序列號

1. 啓動DS-5：
   /usr/local/DS-5_v5.27.1/bin/eclipse &
   注意：啓動過程當中會提示選擇workspace，根據須要選擇便可，默認爲home目錄下的DS-5_Workspace。

2. 申請license：
   • 第一次啓動DS-5時，會彈出對話框，提示須要一個有效的序列號，選擇Open License Maneger便可打開License管理器；

   選擇上圖所示的打開License管理器便可。

   • 依次點擊菜單Help->ARM License Maneger，打開License管理器；
     

3. 在License管理器中選擇添加license：
   

4. 選擇license類型爲30天版本：
   

5. 選擇用於license綁定的網卡：
   

6. 註冊ARM官網帳號並填寫帳號密碼：
   

   注意：
   • 已有帳號則無需註冊；
   • 註冊時ARM會發送一個6位驗證碼，註冊信息主要是郵箱、姓名和單位等；

7. 帳號信息輸入正確後會開始聯網申請license，成功後顯示以下界面，而後確認重啓DS-5便可：
   

3. 調試官方Linux內核demo

3.1 準備

1. 下載DS-5 Linux Distribution Example;
2. 依次點擊菜單File->Import，進入導入類型選擇頁面，並選擇圖中所示類型，點擊下一步：
   
3. 在已存在工程導入頁面選擇壓縮包方式導入，勾選DS-5掃描出來的distribution工程，並點擊Finish完成導入：
   
   注意：
   • DS-5會自動搜索壓縮包中的工程，此處是distribution；
   • 工程必須手工鉤選；
   • 工程不能重複導入同一個worksapce；
   • 完成導入後，源碼會被拷貝到workspace目錄下：
     

3.2 建立調試鏈接和啓動FVP

1. 依次點擊菜單Run->Debug Configuration，打開調試配置界面以建立新鏈接：
   

   注意：
   • 雙擊或右鍵點擊上圖左邊欄中箭頭所示的DS-5 Debugger建立新鏈接；
   • 右鍵點擊任何已有鏈接並選擇duplication也能夠建立新鏈接；
   • 新鏈接能夠經過上圖中紅圈中的Name項來修改。

2. 在上圖所示Connection選項頁中選擇硬件模型Debug Cortex-A9x4 SMP（ARM vexpress Cortex-A9 4核處理器平臺SMP模式），並修改上圖所示的模型參數：

   --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= -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參數用於加載文件到指定的位置；

   • -C parametr=value用於設定模擬器的參數，模擬器參數可使用以下命令列舉出來：

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

3. 在上圖所示Files選項頁中設置引導程序和Linux內核符號表：
   

   注意：引導程序用於對Linux內核進行基本的初始化，並加載操做系統；此處使用DS-5自帶的32位bootwrapper，僅用於示例代碼。

4. 設置從內核入口地址啓動:
   

   注意：若是源代碼不在工程目錄下，則須要設置源碼搜索路徑。

5. 點擊調試配置界面中的Apply按鈕保存配置；

6. 點擊調試配置界面中的Debug按鈕或者右鍵點擊調試鏈接名稱選擇Connect to Target開始調試。
   

注意：第一次運行時，會彈出Confirm Perspective Switch對話框，選擇Yes便可。

3.3 基本調試操做

1. 控制界面：用於resume、puase、step、step over等操做。
   

2. 命令和命令歷史界面：用於顯示命令流、命令結果、命令執行歷史等。
   

3. 信息查看界面1：查看和修改寄存器、斷點、變量、函數等。
   

   注意：
   • 寄存器和函數界面中可使用Ctrl+F喚出搜索框；
   • 寄存器值、變量值、斷點地址、函數名稱等都可右鍵喚出相關菜單，執行反彙編、查看內存、跳轉等操做。

4. 信息查看界面2：查看函數調用棧、函數大綱、事件、內存等，修改內存內容，並可實時顯示當前對應的彙編指令和跳轉到指定的彙編指令等。
   

5. 源碼跟蹤界面：顯示源碼級實時跟蹤、設置斷點、強制跳轉等。
   

6. 終端界面：顯示終端和錯誤記錄。
   

4. 調試自定義Linux內核

此處以64位處理器ARM Cortex-A53處理器爲例，給予官方demo進行調整後，對32位Linux內核進行調試。

4.1 編譯bootwrapper

因爲自帶的bootwrapper僅支持32位處理器，所以必須本身編譯64位版本。

1. 從kernel.org bootwrapper項目克隆源碼：

   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用於指定編譯工具;
   • --with-kernel-dir用於指定內核映像目錄，--with-dtb用於指定DTB文件，從而將這些文件連接到中最終的image文件中；
   • 更多配置選項能夠經過./configure --help獲取；
   • 模擬器對應的硬件平臺的DTB文件能夠從Linaro發行版目錄下載，例如本例所用的DTB文件來自於archive/14.09/openembedded/aarch64/。

3. 編譯

   make

4.2 建立調試鏈接和啓動FVP

基於3.2章節流程，進行以下修改：

1. Connection選項頁中選擇硬件模型Debug Cortex-A53，並修改上圖所示的模型參數：
   

   注意：-C bp.secure_memory=false用於解決模擬器報錯：
   

2. Files選項頁中設置引導程序和符號表：
   

3. 設置從入口地址啓動和源碼搜索路徑:
   

4.3 調試32位Linux內核

A53模擬器啓動後工做在64位EL3模式下，不能加載32位符號表：

所以，必須以以下方式加載：

1. 在bootwrapper的模式切換指令處設置斷點：
   

2. 單步執行進入32位模式後，在命令和命令歷史界面的命令輸入框中手動加載Linux內核的符號表：
   

   注意：
   • 在處理器模式切換後，符號表可能失效，所以須要再次加載符號表;
   • add-symbol命令用於加載符號表到指定的位置，格式爲add-symbol-file filename [offset] [-s section address]...;其中，offset用於指定符號表中連接地址的偏移量，具體使用方法參見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章節。

3. 繼續跟蹤源碼：
   

4. 結語

相對與其餘模擬器平臺，例如QEMU，FVP對ARM處理器的支持更爲完善和強大，即便須要註冊和30天序列號的限制，仍然不失爲研究Linux內核的一款利器。

參考文獻

• Debugging a Linux Symmetric Multi-Processing (SMP) Kernel using DS-5
• DS-5教程-ARM DS-5配合DSTREAM仿真器調試Linux和Android內核
• 使用ARM DS-5探究Linux Kernel booting過程