最近我想调试一个运行在QEMU模拟ARM系统中的Linux程序。我碰到过一些麻烦，因此我会将我的工作过程写在这里。我想用gdbserver来在QEMU中运行一个程序，然后用TCP链接将其连接到运行在我PC上的GDB实例。gdbserver是一个软件层，它实现了GDB的一部分功能（调试残桩），并提供了通过网络（或者串口）连接一个完整的GDB实例的可能性。我想说明的这些都可以通过下面这张图来表示。
使用QEMU内嵌的gdbserver
蓝颜色的部分表示用来运行在我的Ubuntu PC（32位x86）上的软件，而绿色的部分则表示运行在ARM上的软件。qemu-system-arm是一个模拟VersatilePB平台的软件；我尝试过运行可以通过Ubuntu仓库里安装的那个版本（这个软件包叫qemu-kvm-extras），但它必须和最新的Linux版本（2.6.35）一起。因此我打算编译并使用QEMU的上流版本。GDB的server和“client”都来自于ARM的CodeSourcery编译工具集，也就是用于交叉编译ARM软件的编译器。在本例中我想要调试的程序是GNU Hello，这个程序除了打印“Hello World”外没有做多少工作，不过这是一个用GNU Autotools进行交叉编译的好例子。
先决条件
为了接下来的流程，我首先安装了:
-
- 用于ARM的CodeSourcery GNU/Linux工具链
- 用于编译QEMU的本地x86工具链(Ubuntu的build-essentials软件包)
- 作为调试器图形界面的DDD
- 用于创建Linux文件系统镜像的cpio工具
- libncurses5-dev软件包，用于运行Linux内核和Busybox的菜单式配置
- 用于编译QEMU的libsdl-dev和zlib1g-dev
-
1 | $ sudo apt-get install build-essential ddd cpio libncurses5-dev libsdl-dev zlib1g-dev |
2 | $ wget http://www.codesourcery.com/sgpp/lite/arm/portal/package6490/public/arm-none-linux-gnueabi/arm-2010q1-202-arm-none-linux-gnueabi.bin |
3 | $ chmod +x arm-2010q1-202-arm-none-linux-gnueabi.bin |
4 | $ ./arm-2010q1-202-arm-none-linux-gnueabi.bin |
我将工具链安装在默认的“~/CodeSourcery”目录下。而这种情况下gdbserver的可执行文件可以在路径“/home/francesco/CodeSourcery/Sourcery_G++_Lite/arm-none-linux-gnueabi/libc/usr/bin/gdbserver”下找到。
注意以后的过程都会在一个专用的文件夹下运行，并且从此以后不在需要root的访问权限。整个过程到结束大概需要使用1Gigabyte的硬盘空间。
Linux内核
首先，我从官方的仓库中获取了最新的内核版本。
1 | $ wget http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/linux-2.6.35.tar.bz2 |
2 | $ tar xjf linux-2.6.35.tar.bz2 |
3 | $ cd linux-2.6.35/ |
4 | $ make ARCH=arm versatile_defconfig |
5 | $ make ARCH=arm menuconfig |
当菜单出现时，我来到“Kernel Features”节并打开EABI支持；然后退出 (保存配置) 并编译:
1 | $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi- all |
结果是得到一个压缩的内核镜像文件“./linux-2.6.35/arch/arm/boot/zImage”。
Busybox
接下来，我下载了最新版的Busybox；在前次的教程中我使用了静态编译，但这一次我不会，因为gdbserver（我计划就是要用它）无论如何都需要共享库。
1 | $ wget http://busybox.net/downloads/busybox-1.17.1.tar.bz2 |
2 | $ tar xjf busybox-1.17.1.tar.bz2 |
3 | $ cd busybox-1.17.1 |
4 | $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi- defconfig |
5 | $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi- install |
结果是得到文件夹“busybox-1.17.1/_install”，包括了一个最小的不包含共享库的根文件系统。
QEMU
我重新从源码编译了QEMU，只包含我需要的模拟ARM系统的二进制文件。
1 | $ wget http://download.savannah.gnu.org/releases/qemu/qemu-0.12.5.tar.gz |
2 | $ tar xzf qemu-0.12.5.tar.gz |
3 | $ cd qemu-0.12.5 |
4 | $ ./configure --enable-sdl --disable-kvm --enable-debug --target-list=arm-softmmu |
相应的结果是程序“./qemu-0.12.5/arm-softmmu/qemu-system-arm”，会被用来模拟VersatilePB平台。
GNU Hello
这个软件包需要配置成使用交叉编译；不过这其实很容易做；它只需要一个交叉编译器的前缀。
1 | $ wget http://ftp.gnu.org/gnu/hello/hello-2.6.tar.gz |
2 | $ tar xzf hello-2.6.tar.gz |
3 | $ cd hello-2.6 |
4 | $ ./configure --host=arm-none-linux-gnueabi |
结果就是一个ARM架构的可执行文件“hello-2.6/src/hello”。
完成文件系统构建
所有涉及到的ARM二进制文件 (busybox, gdbserver, hello) 都需要共享库。Codesourcery工具链在安装目录的一个子文件夹下提供了这些库。在我这种情况下就是“/home/francesco/CodeSourcery/Sourcery_G++_Lite/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib/”。为了探索哪些库是必需的我使用CodeSourcery工具链所分发的readelf工具。具体说来，我运行了：
01 | $ arm-none-linux-gnueabi-readelf hello-2.6/src/hello -a |grep lib |
02 | [Requesting program interpreter: /lib/ld-linux.so.3] |
03 | 0x00000001 (NEEDED) Shared library: [libgcc_s.so.1] |
04 | 0x00000001 (NEEDED) Shared library: [libc.so.6] |
05 | 00010694 00000216 R_ARM_JUMP_SLOT 0000835c __libc_start_main |
06 | 2: 0000835c 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_main@GLIBC_2.4 (2) |
07 | 89: 0000844c 4 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 __libc_csu_fini |
08 | 91: 0000835c 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_main@@GLIBC_ |
09 | 101: 00008450 204 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 __libc_csu_init |
10 | 000000: Version: 1 File: libgcc_s.so.1 Cnt: 1 |
11 | 0x0020: Version: 1 File: libc.so.6 Cnt: 1 |
Hello这个二进制文件需要三个共享库: “ld-linux.so.3″, “libgcc_s.so.1″ 和 “libc.so.6″。我对所有的3个二进制文件都执行了这个命令，并且将所需的库和gdbserver、hello等可执行文件拷贝到Busybox的文件系统里面。
01 | $ cd busybox-1.17.1/_install |
03 | $ cp /home/francesco/CodeSourcery/Sourcery_G++_Lite/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib/ld-linux.so.3 lib/ |
04 | $ cp /home/francesco/CodeSourcery/Sourcery_G++_Lite/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib/libgcc_s.so.1 lib/ |
05 | $ cp /home/francesco/CodeSourcery/Sourcery_G++_Lite/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib/libm.so.6 lib/ |
06 | $ cp /home/francesco/CodeSourcery/Sourcery_G++_Lite/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib/libc.so.6 lib/ |
07 | $ cp /home/francesco/CodeSourcery/Sourcery_G++_Lite/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib/libdl.so.2 lib/ |
08 | $ cp /home/francesco/CodeSourcery/Sourcery_G++_Lite/arm-none-linux-gnueabi/libc/usr/bin/gdbserver usr/bin/ |
09 | $ cp ../../hello-2.6/src/hello usr/bin/ |
在我的实验中我需要ARM客户机系统那边有一个可用的网络，因此我准备了一个初始化脚本来开启它。该脚本从我的上一个教程扩展而来，下面是我用的脚本“rcS”的内容：
2 | mount -t proc none /proc |
3 | mount -t sysfs none /sys |
5 | ifconfig lo up |
6 | ifconfig eth0 10.0.2.15 netmask 255.255.255.0 |
7 | route add default gw 10.0.2.1 |
然后，我将rcS拷贝到Busybox文件系统的“etc/init.d”目录里面并创建压缩的文件系统镜像：
1 | $ cd busybox-1.17.1/_install |
2 | $ mkdir -p proc sys dev etc etc/init.d |
3 | $ cp ../../rcS etc/init.d |
4 | $ chmod +x etc/init.d/rcS |
5 | $ find . | cpio -o --format=newc | gzip > ../../rootfs.img.gz |
6 | $ cd ../../ |
运行与调试
现在我已经将所有东西准备好:
-
- 一个压缩的内核镜像
- QEMU
- 一个压缩的文件系统镜像，包括:
- Busybox
- rcS初始化脚本
- 为ARM编译的GNU Hello二进制文件
- 用于ARM的gdbserver
- 所需的共享库
-
运行该平台的命令行是:
1 | $ ./qemu-0.12.5/arm-softmmu/qemu-system-arm -M versatilepb -m 128M -kernel ./linux-2.6.35/arch/arm/boot/zImage -initrd ./rootfs.img.gz -append "root=/dev/ram rdinit=/sbin/init" -redir tcp:1234::1234 |
这里“redir”选项会将我Ubuntu PC的端口1234上的所有TCP通信重定向到ARM客户机系统的1234端口上。系统将会启动，然后会打开一个root权限的控制台。在bash提示符下，我运行调试服务器：
1 | # gdbserver --multi 10.0.2.15:1234 |
该命令会启动一个服务器并等待1234端口上的GDB连接。在PC上我可以打开调试器：
1 | $ ddd --debugger arm-none-linux-gnueabi-gdb |
也可以单独运行arm-none-linux-gnueabi-gdb命令或者连接到另外一个前端。要调试远端的程序，我需要告诉GDB使用ARM的共享库而不是本地库（那些用于32位x86的）；否则执行的时候调试器会抱怨说库不匹配。
1 | set solib-absolute-prefix nonexistantpath |
2 | set solib-search-path /home/francesco/CodeSourcery/Sourcery_G++_Lite/arm-none-linux-gnueabi/libc/lib/ |
3 | file ./hello-2.6/src/hello |
4 | target extended-remote localhost:1234 |
5 | set remote exec-file /usr/bin/hello |
到这里后，调试过程就跟平常一样了。
