Linux 內(nèi)核調(diào)試技術(shù)的方法研究

洪永學(xué)， 余紅英， 姜世杰， 林麗蓉

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院， 山西太原 030051）

0 引言

Linux操作系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于其源碼的開放性，人們可以根據(jù)應(yīng)用的需要對其內(nèi)核驅(qū)動進(jìn)行必要的裁剪或修改，但是由于內(nèi)核是整個計算機(jī)軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其與無操作系統(tǒng)的調(diào)試有著很大的差異。調(diào)試中所獲得的錯誤信息也不同，尤其是涉及到Oops信息的段錯誤。為了能有效地調(diào)試Linux內(nèi)核，人們采用了很多方法，下面介紹兩種常用的Linux內(nèi)核調(diào)試方法。

1 內(nèi)核打印函數(shù)printk調(diào)試

1.1 printk函數(shù)的記錄級別

調(diào)試內(nèi)核、驅(qū)動是最簡單，最常用，也是效率較高的方法，是使用printk函數(shù)打印信息。printk函數(shù)與用戶空間的printf函數(shù)的格式完全相同，它所打印的字符串頭部可以加入""樣式的字符，其中n為0～7，表示這條信息的記錄級別。

在內(nèi)核代碼include/linux/kernel.h中，下面幾個宏控制了printk函數(shù)所輸出的信息記錄級別。

#define console_loglevel (console_printk[0])#define default_message_loglevel (console_printk[1])

#define minimum_console_loglevel (console_printk[2])

#define default_console_loglevel (console_printk[3])

1.2 在用戶空間修改printk函數(shù)的記錄級別

掛接在proc文件系統(tǒng)后，讀取/proc/sys/kernel/printk文件可以得知console_loglevel，fault_message_loglevel，minimum_console_loglevel 和default_console_loglevel這個4個值。

可以修改/proc/sys/kernel/printk文件來改變這4個值，比如：

# echo "1 4 1 7" > /proc/sys/kernel/printk

這使得console_loglevel被改為1，于是所有的printk信息都不會被打印。

1.3 printk函數(shù)記錄級別的名稱及使用

在內(nèi)核代碼include/linux/kernel.h中有如下代碼，它們表示0～7這個8個記錄級別的名稱。

#define KERN_EMERG "<0>" /* system is unusable */

#define KERN_ALERT "<1>" /* action must be taken immediately */

#define KERN_CRIT "<2>" /* critical conditions */

#define KERN_ERR "<3>" /* error conditions */

#define KERN_WARNING "<4>" /*warning conditions */

#define KERN_NOTICE "<5>" /*normal but significant condition */

#define KERN_INFO "<6>" / *informational */

#define KERN_DEBUG "<7>" /* debuglevel messages */

在使用printk函數(shù)時，可以這樣的使用記錄級別。

printk(KERN_WARNING"there is a warning here ! ")

在被調(diào)試的內(nèi)核中相應(yīng)的位置加入printk函數(shù)，可以根據(jù)串口中打印出的信息獲得其錯誤的位置從而實(shí)施相應(yīng)的解決方法。

2 Oops信息及棧回溯的調(diào)試

在進(jìn)行Linux內(nèi)核驅(qū)動調(diào)試時，經(jīng)常會出現(xiàn)Segmentation fault錯誤信息，其大部分都是NULL指針引用或使用其他不正確的指針數(shù)值。這些錯誤通常會導(dǎo)致一個Oops消息。由于處理器使用的地址都是“虛”地址，而且通過一個復(fù)雜的稱為頁表的結(jié)構(gòu)映射為物理地址。當(dāng)引用一個非法指針時，頁面映射機(jī)制就不能將”虛”地址映射到物理地址，因此處理器向操作系統(tǒng)發(fā)出一個“頁面失效”。如果地址確實(shí)是非法的，內(nèi)核就無法從失效地址上“換頁”；如果此時處理器工作在超級用戶態(tài)，系統(tǒng)就會產(chǎn)生一個“Oops”消息。Oops顯示故障時的處理器狀態(tài)，模塊CPU寄存器內(nèi)容，頁描述符表的位置，以及其他較為難以理解的信息。利用ksymoopsJ工具可以將這些十六進(jìn)制數(shù)據(jù)解析為內(nèi)核符號，然后再進(jìn)一步判斷錯誤的所在。

2.1 Oops信息來源及格式

Oops這個單詞含義為“驚訝”，當(dāng)內(nèi)核出錯時（比如訪問非法地址）打印出來的信息被稱為Oops信息。 Oops信息包含以下幾部分內(nèi)容：

（1）一段文本描述信息。比如類似”Unable to handle kernel NULL pointer dereference at virtual address 00000000”的信息，他說明了發(fā)生的是哪類錯誤。

（2）Oops信息的序號。比如是第幾次等。這些信息與下面類似，括號內(nèi)的數(shù)據(jù)表示序號。

Internal error: Oops: 806 [#1]

（3）內(nèi)核中加載的模塊名稱，也可能沒有，以下面字樣開頭。

Modules linked in:

（4）發(fā)生錯誤的CPU的序號，對于單處理器系統(tǒng)，序號為0，如：

CPU: 0 Not tainted (2.6.22.6 #36)

（5）發(fā)生錯誤時CPU的各個寄存器值。

（6）當(dāng)前進(jìn)程的名字及進(jìn)程ID，比如：

Process swapper (pid: 1, stack limit =0xc0480258)

這并不是說發(fā)生錯誤的是這個進(jìn)程，而是表示發(fā)生錯誤時，當(dāng)前進(jìn)程是它。錯誤可能發(fā)生在內(nèi)核代碼、驅(qū)動程序，也可能就是這個進(jìn)程的錯誤。

（7）棧信息。

（8）棧回溯信息，可以從中看出函數(shù)調(diào)用關(guān)系，形式如下：

Backtrace:

[](s3c2410fb_probe+0x0/0x560)from [](platform_drv_probe+0x20/0x24)

（9）出錯指令附近的指令機(jī)器碼，比如（出錯指令在小括號內(nèi)）：

Code: e24cb004 e24dd010 e59f34e0 e3a07000(e5873000)

2.2 使用 Oops 的棧信息手工進(jìn)行棧回溯

從 Oops 信息的 PC寄存器值可知得知崩潰發(fā)生時的函數(shù)、出錯指令。但是錯誤有可能是它的調(diào)用者引入的，所以還要找出函數(shù)的調(diào)用關(guān)系。由于內(nèi)核配置了 CONFIG_FRAME_POINTER,當(dāng)出現(xiàn) Oops 信息時,會打印棧回溯信息。如果內(nèi)核沒有配置 CONFIG_FRAME_POINTER，這時可以自己分析棧信息，找到函數(shù)的調(diào)用關(guān)系。

2.3 棧的作用

一個程序包含代碼段、數(shù)據(jù)段、BSS 段、堆、棧；其中數(shù)據(jù)段用來中存儲初始值不為 0 的全局?jǐn)?shù)據(jù),BSS 段用來存儲初始值為 0 的全局?jǐn)?shù)據(jù)，堆用于動態(tài)內(nèi)存分配，棧用于實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用、存儲局部變量。被調(diào)用函數(shù)在執(zhí)行之前，它會將一些寄存器的值保存在棧中，其中包括返回地址寄存器lr。如果知道了所保存的 lr 寄存的值，那么就可以知道它的調(diào)用者是誰。在棧信息中，一個函數(shù)一個函數(shù)地往上找出所有保存的 lr 值，就可以知道各個調(diào)用函數(shù)，這就是棧回溯的原理。

3 棧回溯實(shí)例分析

故意修改 LCD 驅(qū)動程序 drivers/video/s3c2410fb.c,加入錯誤代碼：在 s3c2410fb_ probe函數(shù)的開頭增加下面兩條代碼：

根據(jù) pc 寄存器值找到第一個函數(shù)，確定它的棧大小，確定調(diào)用函數(shù)。

從 Oops 信息 ：

可知 pc 值為 c0018f78,使用它在內(nèi)核反匯編程序 vmlinux.dis 中可以知道它位于 s3c2410fb_probe 函數(shù)內(nèi)。

lr存放的是函數(shù)返回值地址，為c01d3f88，根據(jù)這個地址，搜索內(nèi)核反匯編程序 vmlinux.dis ，可知它位于：

也就是說，函數(shù)s3c2410fb_probe() 被platform_drv_probe()調(diào)用。再看platform_drv_probe()的反匯編代碼，其中c01d3f70: e92d4010 push {r4, lr} ，棧中存放的是 r4, lr 對應(yīng)（查看上文中的棧的信息） ，其中，lr對應(yīng)的值為c01d2e7c，用此值檢索vmlinux.dis，位于

可知，platform_drv_probe()被driver_probe_device()調(diào)用，再用同樣的方法就可以找出所有函數(shù)調(diào)用關(guān)系。 從而就能找到導(dǎo)致Segmentation fault錯誤的語句。

4 結(jié)論

在Linux內(nèi)核調(diào)試技術(shù)中，由于printk函數(shù)調(diào)試的使用方法簡單，分析問題效率較高，因此內(nèi)核打印函數(shù)printk是眾多開發(fā)者所最喜愛的一種調(diào)試技術(shù)。但在驅(qū)動開發(fā)的情況下出現(xiàn)的錯誤幾乎都會涉及到段錯誤，所以掌握通過Oops信息使用棧回溯技術(shù)在Linux嵌入式驅(qū)動開發(fā)中變得不可或缺的一項調(diào)試技能。

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