15日 1月 2014

QEMU上のLinuxカーネルをGDBでデバッグする

プログラムがセグメンテーションフォルトで不正終了した場合に、GDBで原因調査するというのはよく聞く話である。しかし、こういったソフトウェア開発の後行程で使用するだけではなく、前行程でも使うべきである。これは挙動がよく分からないプログラムの動作確認にGDBが有効であるからだ。今回は特にprint文が動作しない段階のLinuxカーネルの動作をGDBで確認する。ただし、あくまでQEMU上での動作である為、QEMUでサポートしていないハードやQEMUが再現しきれていないハードの動作部分については未対応である。そういった場合はICEなどの治具を用いる必要がある。

1. カーネルコンフィグの設定

CONFIG_DEBUG_KERNELを有効にする。

Symbol: DEBUG_KERNEL [=y]
Type  : boolean
Prompt: Kernel debugging
  Location:
    -> Kernel hacking
  Defined at lib/Kconfig.debug:315
  Selected by: EXPERT [=n]

CONFIG_DEBUG_INFOを有効にする。この設定でデバッグシンボルが生成される。

Symbol: DEBUG_INFO [=y]
Type  : boolean
Prompt: Compile the kernel with debug info
  Location:
    -> Kernel hacking
      -> Compile-time checks and compiler options
  Defined at lib/Kconfig.debug:120
  Depends on: DEBUG_KERNEL [=y]

CONFIG_RELOCATABLEを無効にする。CONFIG_RELOCATABLEを無効にしない場合、カーネルがメモリ上で再配置される。その際、デバッグシンボルに記載されるアドレスと対応しなくなり、GDBがシンボルを解釈できなくなる。

Symbol: RELOCATABLE [=n]
Type  : boolean
Prompt: Build a relocatable kernel
  Location:
    -> Processor type and features
  Defined at arch/x86/Kconfig:1711

2. QEMUの起動

qemu-system-i386を使用した場合、--kernelでLinuxカーネルイメージを指定してやればQEMUは起動する。しかし、GDBを使用する場合は-Sと-gdbを使用した方が使いやすい。

qemu-system-i386 --kernel linux-3.12.5/arch/x86/boot/bzImage \
                 -gdb tcp::10000 \
                 -S \
                 -nographic \
                 -append "console=ttyS0"

-nographicオプションでディスプレイ画面を無効に、-appendオプションでカーネル起動パラメータを渡している。

2.1. -Sオプション

GDBがキックするまで待つオプション。GDB側でシンボルファイル読み込み等の前処理を実行する場合に必要である。

2.2. -gdbオプション

GDBの接続方法を指定するオプション。-sオプションを用いた場合は-gdb tcp::1234と等価となる。今回はTCPポート番号10000を使用する。

3. GDBの起動

GDBは-xオプションで任意の操作を起動時に指定することができ、GDB起動毎に手入力する手間を省ける。

gdb -x gdb.scr

GDBの-xオプションで指定するファイルの内容は以下である。

target remote localhost:10000
source linux-3.12.5
symbol-file linux-3.12.5/vmlinux
b start_kernel
la src
c

3.1. target remoteコマンド

QEMUの-gdbオプションで指定した値を指定する。今回はQEMUとGDBは同一マシンで動作させるのでlocalhost:10000を指定する。

3.2. sourceコマンド

ソースコードのディレクトリを指定する。今回はLinuxカーネルのディレクトリのlinux-3.12.5を指定する。

3.3. symbol-fileコマンド

シンボル情報込みのバイナリを指定する。今回は圧縮前（かつstrip前）の vmlinuxを指定する。

3.4. bコマンド

breakpointを指定する。今回はstart_kernelを指定する。

3.5. la srcコマンド

ソースコードを表示する。

3.6. cコマンド

QEMUの-Sオプションを解除する為に指定する。

5. 実行例

以下はscreenコマンドを介してQEMUとGDBを実行した画面である。 start_kernelでbreakしていることが確認できる。

GDBのnコマンドで処理を進めていくとconsole_init()実行直後にシリアルコンソールへ文字が出力されることを確認できる。

cで処理を続行するとpanicが発生してしまった。btコマンドやupコマンドで原因となる箇所を遡ると、ルートファイルシステムを指定していない為に発生していることが分かる。

カテゴリ： linux, 201402, QEMU, ja