QEMU 调试 Linux 内核环境搭建

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2023/07/05/QEMU-debugging-Linux-kernel-environment-construction

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0 准备操作

1 编译环境准备

一个最小可运行 Linux 操作系统需要内核镜像 bzImage 和 rootfs ，本文整理了其制作、安装过程，调试命令，以及如何添加共享磁盘。

我的开发环境为 Arch linux，具体的宿主机内核编译环境可以参考下面的文章。

Linux 内核开发环境配置 | 糖醋鱼的小破站

这是一个由NotionNext生成的站点

https://www.expoli.tech/articles/2023/02/19/configue-linux-development-environment#ef1cb77edecd4a6888f548275c3ab907

2 内核源码准备

你可以选择直接去 https://www.kernel.org/ 下载压缩包，也可以之间克隆一个。


git clone -b staging-testing git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/gregkh/staging.git

1 配置并编译内核

1 配置内核选项


cd staging # cd linux-6.4.1
make x86_64_defconfig
make menuconfig

💡

在配置菜单中，启用内核debug，关闭地址随机化，不然断点处无法停止。


Kernel hacking  --->
		[*] Kernel debugging
		Compile-time checks and compiler options  --->
				Debug information (Rely on the toolchain's implicit default DWARF version)
						(X) Rely on the toolchain's implicit default DWARF version
				[*] Provide GDB scripts for kernel debugging

Processor type and features  --->
		[ ]   Randomize the address of the kernel image (KASLR)

2 编译内核

开始编译内核，-j 指定并行编译作业数。最终生成 /path/to/your/kernel/code/arch/x86_64/boot/bzImage 文件。


make -j 12

2 配置 Busybox

启动内核还需要一个具有根文件系统的磁盘镜像文件，根文件系统中提供可供交互的shell程序以及一些常用工具命令。我们借助busybox工具来制作根文件系统。

busybox 官网如下，最近版本为 BusyBox 1.36.1 (stable)

BusyBox

https://www.busybox.net/

1 下载并解压


tar xvf busybox-1.36.1.tar.bz2
cd busybox-1.36.1

2 把 busybox 配置为静态编译


Settings  --->
		[*] Build static binary (no shared libs)

3 编译 busybox


make -j 12

3 制作 rootfs

接下来制作rootfs镜像文件，并把busybox安装到其中。

使用dd命令创建文件，并格式化为ext4文件系统。


dd if=/dev/zero of=rootfs.img bs=1M count=512
mkfs.ext4 rootfs.img

创建用于挂载该镜像文件的目录 rootfs，挂载后才能往里面写入 busybox。

使用 mount 命令将 rootfs.img 挂载到 rootfs 目录，编译 busybox 并写入 rootfs 目录中。


mkdir rootfs
sudo mount -t ext4 -o loop rootfs.img ./rootfs
sudo make install CONFIG_PREFIX=./rootfs

对写入的busybox进行补充配置。


cd rootfs/
sudo mkdir proc dev etc home mnt
sudo cp -r ../examples/bootfloppy/etc/* etc/

最后，卸载rootfs.img


cd ..
sudo umount rootfs

至此，一个带有rootfs的磁盘镜像制作完成。

4 启动qemu

使用如下命令启动无GUI的qemu，参数含义如下：

-kernel # 指定编译好的内核镜像 -hda # 指定硬盘 -append "root=/dev/sda" 指示根文件系统 console=ttyS0 把QEMU的输入输出定向到当前终端上 -nographic 不使用图形输出窗口 -s 是-gdb tcp::1234缩写，监听1234端口，在GDB中可以通过target remote localhost:1234连接


qemu-system-x86_64 -kernel ./staging/arch/x86_64/boot/bzImage -hda=./disk/rootfs.img -append "root=/dev/sda console=ttyS0" -nographic

启动后如下图：

Ctrl+A 松开后按C退出qemu。

5 内核函数调试

启动命令中添加-s参数与-S参数启动qemu。


qemu-system-x86_64 -kernel ./staging/arch/x86_64/boot/bzImage -hda=./disk/rootfs.img -append "root=/dev/sda console=ttyS0" -s -S  -smp 1 -nographic

这个时候 qemu 终端会卡住

启动 gdb ，开启调试即可


gdb vmlinux

(gdb) target remote localhost:1234
Remote debugging using localhost:1234
0x000000000000fff0 in exception_stacks ()
(gdb) c    # qemu 开始运行
Continuing.

至此，完成了qemu环境下使用gdb进行内核函数的调试。

6 添加共享磁盘

有时候需要在宿主机和qemu虚拟机之间共享文件，添加一个共享磁盘将有助于该项工作。

创建64MB磁盘镜像文件，并格式化为ext4，作为共享磁盘备用。


dd if=/dev/zero of=ext4.img bs=512 count=131072
mkfs.ext4 ext4.img

修改qemu启动命令，使用-hdb增加一个磁盘。


qemu-system-x86_64 -kernel ./staging/arch/x86_64/boot/bzImage -hda=./disk/rootfs.img -append "root=/dev/sda console=ttyS0" -s -S  -smp 1 -nographic -hdb ~/shadisk/ext4.img

进入qemu系统后使用mount命令挂载sdb到mnt目录。

在原系统中挂载ext4.img，实现qemu与原系统的文件共享。


sudo mount -t ext4 -o loop ext4.img ./share

至此，可以在宿主机器share目录下，与qemu中的虚拟机器进行文件共享。

7 参考资料

QEMU调试Linux内核环境搭建

一个最小可运行Linux操作系统需要内核镜像bzImage和rootfs，本文整理了其制作、安装过程，调试命令，以及如何添加共享磁盘。编译内核源码从 The Linux Kernel Archives 网站下载内核源码，本文下载的版本为4.14.1…

https://zhuanlan.zhihu.com/p/499637419