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为KGDB 增加watchpoint断点支持 on x86

2010年11月18日 发表评论 阅读评论

前言

前面我们在《gdb 和 watchpoint》 文章
里讨论了在gdb的watchpoint,这次我们来讨论下如何让kgdb也支持watchpoint特性。

KGDB 相当于一个gdb server,只是这个server是跑在内核里面。所以KGDB支持watchpoint实现和
gdb server的实现如出一辙,即通过GDB远程串行协议里的Stop-Reply-Packets来传达
watchpoint信息给gdb,让gdb知道那个watchpoint击中了。

其运行的大致流程为:

A:using gdb to set a watchpoint 
 
B:send out a set watchpoint protocol packet to kgdb from gdb
 
C:kgdb receive/parse the protocol packet
 
D:kgdb set a watchpoint hardware breakpoint on kernel
 
E:Once kernel hit a watchpoint breakpoint, kgdb will collect the 
    watchpoint breakpoint info, fill them to a Stop-Reply-Packets with 
    watchpoint format, and send out to gdb

1: 设置watchpoint 断点 in kgdb

在gdb敲入watch命令后,会将发送一个设置watchpoint的数据包给kgdb,kgdb收该数据包后就执行设置断点动作.

 (gdb) watch xxx  (假设我们要监视断点地址为 xxx)
 
 gdb发送数据包"Z2,xxx,4" 给kgdb
 
 kgdb 收到协议数据包后,调用gdb_cmd_break()(kernel/debug/gdbstub.c)
 来解析设置断点协议数据
 
gdb_cmd_break()
------------------------------------------
parsing  "Z2,xxx,4"
--> 'Z'      设置断点
--> '2'      断点类型为write watchpoint
--> 'xxx'  断点地址为 xxx
--> '4'      断点长度为 4
------------------------------------------
 
--> arch_kgdb_ops.set_hw_breakpoint(xxx, 4, BP_WRITE_WATCHPOINT)
--> kgdb_set_hw_break(xxx, 4, BP_WRITE_WATCHPOINT) (arch/x86/kernel/kgdb.c)
    这个函数完成了将断点信息加入到breakinfo[HBP_NUM]数组里和设置其enabled标志为1,
    真正的断点使能是在kgdb退出,让系统正常运行时,调用kgdb_correct_hw_break()函数
    来每个cpu上使能硬件断点.

2: watchpoint触发捕获

watchpoint 断点隶属于硬件断点,所以我们先来谈谈硬件断点的触发的整个流程和细节。

硬件断点的触发后,会产生一个调试异常,因此会进入do_debug异常的
处理程序(arch/x86/kernel/traps.c).
 
do_debug() {
 
unsigned long dr6;
get_debugreg(dr6, 6); //保持dr6寄存器值到dr6变量
 
 /* DR6 may or may not be cleared by the CPU */
set_debugreg(0, 6); //手动清除dr6寄存器
 
//通过notify_die通知链告诉大家"debug"异常发生了,同时把dr6寄存器值作为参数传递出去。
notify_die(DIE_DEBUG, "debug", regs, PTR_ERR(&dr6), error_code,
                            SIGTRAP)
}

如果kgdb处于早期调试模式(那时候Hardware Breakpoint Layer还没初始化),则是由kgdb自己处理
DIE_DEBUG的notify通知,如果是普通模式,即硬件断点管理都是从Hardware Breakpoint Layer获取的,
则是由Hardware Breakpoint Layer处理,然后通过回调函数kgdb_hw_overflow_handler()进入kgdb.

Hardware Breakpoint Layer处理流程:
 
static struct notifier_block hw_breakpoint_exceptions_nb = {
    .notifier_call = hw_breakpoint_exceptions_notify,
    /* we need to be notified first */
    .priority = 0x7fffffff
};
register_die_notifier(&hw_breakpoint_exceptions_nb);
 
触发硬件断点:
do_debug() -- notify_die(DIE_DEBUG)->
arch/x86/kernel/hw_breakpoint.c
hw_breakpoint_exceptions_notify() -> 
hw_breakpoint_handler() {
for (i = 0; i < HBP_NUM; ++i) {
        if (likely(!(dr6 & (DR_TRAP0 << i))))
            continue;
        perf_bp_event(bp, args->regs); -->
           perf_swevent_overflow(event)->
             event->overflow_handler(event, nmi, data, regs);-->
                kgdb_hw_overflow_handler(). 这里最终跑到kgdb的代码里了.
}/* end of for()*/
}

3: watchpoint 断点信息获取

kgdb只需要知道是哪个watchpoint断点被踩中了,并把它的地址传递给gdb就可以了。

如果kgdb处于早期调试模式,则可以挨个判断dr6寄存器值的bit位来看哪个watchpoint击中了。
但是普通模式的Hardware Breakpoint Layer回调函数并没有传递dr6值给我们,不过还好,它传
递struct perf_event的event对象给我们,通过这个对象,我们可以得到发生硬断点的地址,然后
根据地址和kgdb里保存的硬断点数组对比,相同的,则是踩中的断点..

static void kgdb_hw_overflow_handler(struct perf_event *event, int nmi,
        struct perf_sample_data *data, struct pt_regs *regs) {
 for (i = 0; i < HBP_NUM; i++) {
        if (!breakinfo[i].enabled)
            continue;
        if (breakinfo[i].addr == event->attr.bp_addr) //查找和判断踩中断点信息
            break;
    }
}

在得到是哪个breakinfo[i]被触发后,在查看下breakinfo[i].type,如果是
X86_BREAKPOINT_WRITE/X86_BREAKPOINT_RW 就可以认定是watchpoint断点了,
而断点地址则保存在breakinfo[i].addr.

4: 填充Stop-Reply-Packets来通知gdb踩中watchpoint断点了
根据watchpoint断点的类型,返回给gdb的Stop-Reply-Packets可以有如下格式:

type = breakinfo[i].type;
addr = breakinfo[i].addr;
            switch (type) {
            case KST_READ_WATCHPOINT:
                ptr += strlen(strcpy(ptr, "rwatch:"));
                break;
            case KST_ACCESS_WATCHPOINT:
                ptr += strlen(strcpy(ptr, "awatch:"));
                break;
            case KST_WRITE_WATCHPOINT:
                ptr += strlen(strcpy(ptr, "watch:"));
                break;
            }
            ptr += kgdb_long2hex(addr, ptr);
            *ptr++ = ';';

具体packgets包格式,可以阅读 Stop-Reply-Packets

5: test watchpoint support on x86

After gdb connect successly to kgdb, setting a watchpoint
at softlockup_thresh address.
 
(gdb) watch softlockup_thresh
 
Then change the watchdog_thresh value to 24 on target:
# echo "24" > /proc/sys/kernel/watchdog_thresh
 
Then the gdb will stop and show:
----------------------------------------------------------
Old value = 60
New value = 24
0xffffffff810481f2 in do_proc_dointvec_minmax_conv (negp=0xffff88066cbb9e17,
lvalp=0xffffffff8190e718, 
    valp=0xffffffff8190e718, write=<value optimized out>,
data=0xffff88066cbb9e68) at kernel/sysctl.c:2408
2408			*valp = val;
(gdb)
----------------------------------------------------------
 
Change the watchdog_thresh value to 24 on target again:
# echo "24" > /proc/sys/kernel/watchdog_thresh
 
As the previous watchdog_thresh value is 24, thus gdb will not stop..

6: 扩展阅读

更多有关kgdb和Hardware Breakpoint Layer的内容,可阅读:《抓虫日记之 kgdb 和 删除硬断点
更多有关x86硬件调试寄存器信息,可阅读:《x86 调试寄存器

本文地址:
http://www.kgdb.info/kgdb_watchpoint_support_on_x86/
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  1. 巫婆
    2016年4月12日19:20 | #1

    填充Stop-Reply-Packets来通知gdb踩中watchpoint断点了
    找了下没找到x86这个断电触发后rsp返回的地方,这个放在哪里比价合适?
    另外早期调试模式是什么意思?什么情况下是这个模式?

    [回复]

  2. 2016年4月20日18:58 | #2

    @巫婆
    内核模块都有一个初始化顺序,如果“Hardware Breakpoint Layer”模块还没初始化话,kgdb就自己处理硬件中断,如果初始化了,则通过那个模块的回调函数来处理。。
    你搜索下 “kgdb_long2hex” 这个代码,然后在哪个附近看,应该能看到和GDB通信的地方。

    [回复]

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