Lab_1：练习2——使用qemu执行并调试lab1中的软件

##练习二：使用qemu执行并调试lab1中的软件。

1.题目要求：

为了熟悉使用qemu和gdb进行的调试工作，我们进行如下的小练习：

1. 从CPU加电后执行的第一条指令开始，单步跟踪BIOS的执行。
2. 在初始化位置0x7c00设置实地址断点,测试断点正常。
3. 从0x7c00开始跟踪代码运行,将单步跟踪反汇编得到的代码与bootasm.S和 bootblock.asm进行比较。
4. 自己找一个bootloader或内核中的代码位置，设置断点并进行测试。

$ cd labcodes_answer/lab1_result/
$ make lab1-mon

补充材料： 我们主要通过硬件模拟器qemu来进行各种实验。在实验的过程中我们可能会遇上各种各样的问题，调试是必要的。qemu支持使用gdb进行的强大而方便的调试。所以用好qemu和gdb是完成各种实验的基本要素。

默认的gdb需要进行一些额外的配置才进行qemu的调试任务。qemu和gdb之间使用网络端口1234进行通讯。在打开qemu进行模拟之后，执行gdb并输入

target remote localhost:1234

即可连接qemu，此时qemu会进入停止状态，听从gdb的命令。

另外，我们可能需要qemu在一开始便进入等待模式，则我们不再使用make qemu开始系统的运行，而使用make debug来完成这项工作。这样qemu便不会在gdb尚未连接的时候擅自运行了。

*gdb的地址断点*

在gdb命令行中，使用b *[地址]便可以在指定内存地址设置断点，当qemu中的cpu执行到指定地址时，便会将控制权交给gdb。

*关于代码的反汇编*

有可能gdb无法正确获取当前qemu执行的汇编指令，通过如下配置可以在每次gdb命令行前强制反汇编当前的指令，在gdb命令行或配置文件中添加：

define hook-stop
x/i $pc
end

即可

*gdb的单步命令*

在gdb中，有next, nexti, step, stepi等指令来单步调试程序，他们功能各不相同，区别在于单步的“跨度”上。

next 单步到程序源代码的下一行，不进入函数。
nexti 单步一条机器指令，不进入函数。
step 单步到下一个不同的源代码行（包括进入函数）。
stepi 单步一条机器指令。

2.预备知识：lab1init解释

实际上练习二就是把tools/gdbinit改为tools/lab1init的样子，lab1init是课程给的答案，我们需要完成相应的内容。不熟的可以先看看lab1init中有什么。lab1init是在哪里调用了呢？

首先看lab1-mon，进入Makefile查看发现：

lab1-mon: $(UCOREIMG)
$(V)$(TERMINAL) -e "$(QEMU) -S -s -d in_asm -D $(BINDIR)/q.log -monitor stdio -hda $< -serial null"
$(V)sleep 2
$(V)$(TERMINAL) -e "gdb -q -x tools/lab1init"

这条命令可以看出来大致干的两件事：

​ 1.让qemu把它的执行指令记录下来，放到q.log中

​ 2.和GDB结合来调试正在执行的bootloader

其中"gdb -q -x tools/lab1init"是一条初始化执行指令，lab1init文件内容如下：

file bin/kernel
target remote :1234
set architecture i8086
b *0x7c00
continue
x /2i $pc

这里面都是gdb能够识别的命令。

第一行的意思是加载bin/kernel文件，这其实就是加载符号信息了，实际上是ucore的信息。

第二、三行的意思是与qemu进行连接，通过TRP进行连接。刚开始BIOS是进入8086的16位实模式方式，一直到0x7C00在BIOS这个阶段启动，最后把bootloader加载进去，把控制权交给bootloader，那么bootloader第一条指令就是在0X7C00处。

第四行的意思是在这个位置设置一个断点，break 0x7C00

第五行continue是让系统继续运行

最后一条x/2i $pc 就是显示两条pc指令

可以输入make lab1-mon，它将启动两个窗口，一个是调试窗口，另一个是qemu，但是断下来了，就是断在了0X7C00处。

如果你想显示更多调试信息，可以输入x/10i $pc，可以把当前的十条指令都显示出来。

这些指令在什么地方？我们启动代码boot文件夹下存放bootloader，可以看到在bootasm.S中第16行开始，它这个指令和刚才看到的gdb里面的指令是一样的

让qemu继续运行，可以输入continue

看到这时候它跑的很快，就是这里面已经把ucore都加进来了

最后可以按ctrl+C终止，输入quit退出

3.问题一、从CPU加电后执行的第一条指令开始，单步跟踪BIOS的执行。

1.修改gdbinit文件

可以直接在eclipse里面修改也可以使用vim命令进行修改

这里我使用vim命令，注意要先进入~/ucore/labcodes_answer/lab1_result/tools目录下

输入vim gdbinit

将gdbinit内容更改为：

set architecture i8086
target remote :1234

2.make debug

在Makefile中可以看到debug这个命令

debug: $(UCOREIMG)
$(V)$(QEMU) -S -s -parallel stdio -hda $< -serial null &
$(V)sleep 2
$(V)$(TERMINAL)  -e "cgdb -q -x tools/gdbinit"

有两个功能

​ 1.连接qemu

​ 2.和CGDB结合来调试正在执行的bootloader

输入cd ..，退回到上一级目录

输入make debug，这里我出现了cgdb错误

具体原因还没弄清，只能将Makefile文件中对应的cgdb修改为gdb,输入make debug

在gdb窗口中使用

si

也可以用nexti:(nexti 单步一条机器指令，不进入函数。)

在gdb界面下，可通过如下命令来看BIOS的代码：x /2i $pc

4.问题二、在初始化位置0x7c00设置实地址断点,测试断点正常。

1.修改gdbinit文件

target remote :1234     //连接qemu，此时qemu会进入停止状态，听从gdb的命令
set architecture i8086  //设置当前调试的CPU是8086
b *0x7c00   //在0x7c00处设置断点。此地址是bootloader入口点地址，可看boot/bootasm.S的start地址处
c     //continue简称，表示继续执行
x/10i $pc    //显示当前eip处的汇编指令

2.make debug　

5.问题三、从0x7c00开始跟踪代码运行,将单步跟踪反汇编得到的代码与bootasm.S和 bootblock.asm进行比较。

反汇编得到的前几条代码是：

下面是bootasm.S中部分代码：

start:
.code16                                             # Assemble for 16-bit mode
cli                                             # Disable interrupts
cld                                             # String operations increment

# Set up the important data segment registers (DS, ES, SS).
xorw %ax, %ax                                   # Segment number zero
movw %ax, %ds                                   # -> Data Segment
movw %ax, %es                                   # -> Extra Segment
movw %ax, %ss                                   # -> Stack Segment

# Enable A20:
#  For backwards compatibility with the earliest PCs, physical
#  address line 20 is tied low, so that addresses higher than
#  1MB wrap around to zero by default. This code undoes this.
seta20.1:
inb $0x64, %al                                  # Wait for not busy(8042 input buffer empty).
testb $0x2, %al
jnz seta20.1

movb $0xd1, %al                                 # 0xd1 -> port 0x64
outb %al, $0x64                                 # 0xd1 means: write data to 8042's P2 port

下面是bootblock.asm中的部分代码：

start:
.code16                                             # Assemble for 16-bit mode
cli                                             # Disable interrupts
7c00:	fa                   	cli
cld                                             # String operations increment
7c01:	fc                   	cld

# Set up the important data segment registers (DS, ES, SS).
xorw %ax, %ax                                   # Segment number zero
7c02:	31 c0                	xor    %eax,%eax
movw %ax, %ds                                   # -> Data Segment
7c04:	8e d8                	mov    %eax,%ds
movw %ax, %es                                   # -> Extra Segment
7c06:	8e c0                	mov    %eax,%es
movw %ax, %ss                                   # -> Stack Segment
7c08:	8e d0                	mov    %eax,%ss

比较可知，三者基本一致。

6.问题四、自己找一个bootloader或内核中的代码位置，设置断点并进行测试。

同上面的一样，修改gdbinit文件中的断点位置