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为KGDB 增加watchpoint断点支持 on x86

DDD  2010年11月18日 星期四 14:26 | 3157次浏览 | 0条评论

the watchpoint of kgdb 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

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 》

本文转载自：
http://www.kgdb.info/kgdb/kgdb_watchpoint_support_on_x86/

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