调试是软件开发过程中一个必不可少的环节，在 Linux 内核开发的过程中也不可避免地会面对如何调试内核的问题。但是，Linux 系统的开发者出于保证内核代码正确性的考虑，不愿意在 Linux 内核源代码树中加入一个调试器。他们认为内核中的调试器会误导开发者，从而引入不良的修正[1]。所以对 Linux 内核进行调试一直是个令内核程序员感到棘手的问题，调试工作的艰苦性是内核级的开发区别于用户级开发的一个显著特点。
尽管缺乏一种内置的调试内核的有效方法，但是 Linux 系统在内核发展的过程中也逐渐形成了一些监视内核代码和错误跟踪的技术。同时，许多的补丁程序应运而生，它们为标准内核附加了内核调试的支持。尽管这些补丁有些并不被 Linux 官方组织认可，但他们确实功能完善，十分强大。调试内核问题时，利用这些工具与方法跟踪内核执行情况，并查看其内存和数据结构将是非常有用的。
本文将首先介绍 Linux 内核上的一些内核代码监视和错误跟踪技术，这些调试和跟踪方法因所要求的使用环境和使用方法而各有不同，然后重点介绍三种 Linux 内核的源代码级的调试方法。
1. Linux 系统内核级软件的调试技术
printk() 是调试内核代码时最常用的一种技术。在内核代码中的特定位置加入printk() 调试调用，可以直接把所关心的信息打打印到屏幕上，从而可以观察程序的执行路径和所关心的变量、指针等信息。 Linux 内核调试器（Linux kernel debugger，kdb）是 Linux 内核的补丁，它提供了一种在系统能运行时对内核内存和数据结构进行检查的办法。Oops、KDB在文章掌握 Linux 调试技术有详细介绍，大家可以参考。 Kprobes 提供了一个强行进入任何内核例程，并从中断处理器无干扰地收集信息的接口。使用 Kprobes 可以轻松地收集处理器寄存器和全局数据结构等调试信息，而无需对Linux内核频繁编译和启动，具体使用方法，请参考使用 Kprobes 调试内核。
以上介绍了进行Linux内核调试和跟踪时的常用技术和方法。当然，内核调试与跟踪的方法还不止以上提到的这些。这些调试技术的一个共同的特点在于，他们都不能提供源代码级的有效的内核调试手段，有些只能称之为错误跟踪技术，因此这些方法都只能提供有限的调试能力。下面将介绍三种实用的源代码级的内核调试方法。
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2. 使用KGDB构建Linux内核调试环境
kgdb提供了一种使用 gdb调试 Linux 内核的机制。使用KGDB可以象调试普通的应用程序那样，在内核中进行设置断点、检查变量值、单步跟踪程序运行等操作。使用KGDB调试时需要两台机器，一台作为开发机（Development Machine）,另一台作为目标机（Target Machine），两台机器之间通过串口或者以太网口相连。串口连接线是一根RS-232接口的电缆，在其内部两端的第2脚（TXD）与第3脚（RXD）交叉相连，第7脚（接地脚）直接相连。调试过程中，被调试的内核运行在目标机上，gdb调试器运行在开发机上。
目前，kgdb发布支持i386、x86_64、32-bit PPC、SPARC等几种体系结构的调试器。有关kgdb补丁的下载地址见参考资料[4]。
2．1 kgdb的调试原理
安装kgdb调试环境需要为Linux内核应用kgdb补丁，补丁实现的gdb远程调试所需要的功能包括命令处理、陷阱处理及串口通讯3个主要的部分。kgdb补丁的主要作用是在Linux内核中添加了一个调试Stub。调试Stub是Linux内核中的一小段代码，提供了运行gdb的开发机和所调试内核之间的一个媒介。gdb和调试stub之间通过gdb串行协议进行通讯。gdb串行协议是一种基于消息的ASCII码协议，包含了各种调试命令。当设置断点时，kgdb负责在设置断点的指令前增加一条trap指令，当执行到断点时控制权就转移到调试stub中去。此时，调试stub的任务就是使用远程串行通信协议将当前环境传送给gdb，然后从gdb处接受命令。gdb命令告诉stub下一步该做什么，当stub收到继续执行的命令时，将恢复程序的运行环境，把对CPU的控制权重新交还给内核。
2．2 Kgdb的安装与设置
下面我们将以Linux 2.6.7内核为例详细介绍kgdb调试环境的建立过程。
2.2.1软硬件准备
以下软硬件配置取自笔者进行试验的系统配置情况：
kgdb补丁的版本遵循如下命名模式：Linux-A-kgdb-B，其中A表示Linux的内核版本号，B为kgdb的版本号。以试验使用的kgdb补丁为例，linux内核的版本为linux-2.6.7，补丁版本为kgdb-2.2。
物理连接好串口线后，使用以下命令来测试两台机器之间串口连接情况，stty命令可以对串口参数进行设置：
在development机上执行：
stty ispeed 115200 ospeed 115200 -F /dev/ttyS0
在target机上执行：
stty ispeed 115200 ospeed 115200 -F /dev/ttyS0
在developement机上执行：
echo hello > /dev/ttyS0
在target机上执行：
cat /dev/ttyS0
如果串口连接没问题的话在将在target机的屏幕上显示"hello"。
2．2．2 安装与配置
下面我们需要应用kgdb补丁到Linux内核，设置内核选项并编译内核。这方面的资料相对较少，笔者这里给出详细的介绍。下面的工作在开发机（developement）上进行，以上面介绍的试验环境为例，某些具体步骤在实际的环境中可能要做适当的改动：
I、内核的配置与编译
[root@lisl tmp]# tar -jxvf linux-2.6.7.tar.bz2 [root@lisl tmp]#tar -jxvf linux-2.6.7-kgdb-2.2.tar.tar [root@lisl tmp]#cd inux-2.6.7
请参照目录补丁包中文件README给出的说明，执行对应体系结构的补丁程序。由于试验在i386体系结构上完成，所以只需要安装一下补丁：core-lite.patch、i386-lite.patch、8250.patch、eth.patch、core.patch、i386.patch。应用补丁文件时，请遵循kgdb软件包内series文件所指定的顺序，否则可能会带来预想不到的问题。eth.patch文件是选择以太网口作为调试的连接端口时需要运用的补丁。
应用补丁的命令如下所示：
[root@lisl tmp]#patch -p1 <../linux-2.6.7-kgdb-2.2/core-lite.patch
如果内核正确，那么应用补丁时应该不会出现任何问题（不会产生*.rej文件）。为Linux内核添加了补丁之后，需要进行内核的配置。内核的配置可以按照你的习惯选择配置Linux内核的任意一种方式。
[root@lisl tmp]#make menuconfig
在内核配置菜单的Kernel hacking选项中选择kgdb调试项，例如：
[*] KGDB: kernel debugging with remote gdb Method for KGDB communication (KGDB: On generic serial port (8250)) ---> [*] KGDB: Thread analysis [*] KGDB: Console messages through gdb [root@lisl tmp]#make
编译内核之前请注意Linux目录下Makefile中的优化选项，默认的Linux内核的编译都以-O2的优化级别进行。在这个优化级别之下，编译器要对内核中的某些代码的执行顺序进行改动，所以在调试时会出现程序运行与代码顺序不一致的情况。可以把Makefile中的-O2选项改为-O,但不可去掉-O，否则编译会出问题。为了使编译后的内核带有调试信息，注意在编译内核的时候需要加上-g选项。
不过，当选择"Kernel debugging->Compile the kernel with debug info"选项后配置系统将自动打开调试选项。另外，选择"kernel debugging with remote gdb"后，配置系统将自动打开"Compile the kernel with debug info"选项。
内核编译完成后，使用scp命令进行将相关文件拷贝到target机上(当然也可以使用其它的网络工具，如rcp)。
[root@lisl tmp]#scp arch/i386/boot/bzImage root@192.168.6.13:/boot/vmlinuz-2.6.7-kgdb [root@lisl tmp]#scp System.map root@192.168.6.13:/boot/System.map-2.6.7-kgdb
如果系统启动使所需要的某些设备驱动没有编译进内核的情况下，那么还需要执行如下操作：
[root@lisl tmp]#mkinitrd /boot/initrd-2.6.7-kgdb 2.6.7 [root@lisl tmp]#scp initrd-2.6.7-kgdb root@192.168.6.13:/boot/ initrd-2.6.7-kgdb
II、kgdb的启动
在将编译出的内核拷贝的到target机器之后，需要配置系统引导程序，加入内核的启动选项。以下是kgdb内核引导参数的说明：
如表中所述，在kgdb 2.0版本之后内核的引导参数已经与以前的版本有所不同。使用grub引导程序时，直接将kgdb参数作为内核vmlinuz的引导参数。下面给出引导器的配置示例。
title 2.6.7 kgdb root (hd0,0) kernel /boot/vmlinuz-2.6.7-kgdb ro root=/dev/hda1 kgdbwait kgdb8250=1,115200
在使用lilo作为引导程序时，需要把kgdb参放在由append修饰的语句中。下面给出使用lilo作为引导器时的配置示例。
image=/boot/vmlinuz-2.6.7-kgdb label=kgdb read-only root=/dev/hda3 append="gdb gdbttyS=1 gdbbaud=115200"
保存好以上配置后重新启动计算机，选择启动带调试信息的内核，内核将在短暂的运行后在创建init内核线程之前停下来，打印出以下信息，