3 2 GNU Debugger
GNU Debugger，簡稱 GDB，是 GNU 軟體系統中的除錯器，由於其具有可移植的優點，在現今的主流處理器架構與作業系統平台上都可以看見 GDB 的身影。
如果要使用 GDB 對 C 程式進行除錯，需要在編譯時添加 -g 參數:
$ gcc main.c -g -o main
等到 gcc 編譯完成後，我們便可以使用 gdb 打開可執行檔案進行除錯:
gdb ./main
使用 -g 產生除錯訊息會大大的增加應用程式的檔案大小，一般在發佈應用程式時是不會以 -g 參數編譯的。
除錯完成後，我們可以使用 strip 指令清掉應用程式中的除錯資訊:
strip main
gdb 的常見指令如下:
-
help
h: 顯示指令簡短說明，如:help breakpoint。 -
file: 開啟檔案，等同於
gdb filename。 -
run
r: 繼續或是重新執行程式。 -
kill: 中止執行中的程式。
-
backtrace
bt: 追蹤 Stack，會顯示出上層所有 frame 的簡略資訊。 -
print
p: 印出變數內容。 -
list
l: 印出程式碼。 -
whatis：印出變數的型態。例： whatis i，印出變數 i 的型態。
-
breakpoint
b,bre,break: 設定中斷點- 使用
info breakpoint或是info b查看已設定了哪些中斷點。 - 在程式被中斷後，使用
info line來查看正停在哪一行。
- 使用
-
continue
c,cont: 由目前中斷的地方開始繼續執行。 -
frame: 顯示正在執行的行數、副程式名稱、及其所傳送的參數等等 frame 資訊。 frame 2: 看到 #2，也就是上上一層的 frame 的資訊。
-
next
n: 單步執行，但遇到 frame 時不會進入 frame 中單步執行。 -
step
s: 單步執行。但遇到 frame 時則會進入 frame 中單步執行。 -
until: 直接跑完一個 while 迴圈。
-
return: 中止執行該 frame（視同該 frame 已執行完畢）， 並返回上個 frame 的呼叫點。功用類似 C 裡的 return 指令。
-
finish: 執行完這個 frame。當進入一個過深的 frame 時，如：C 函式庫， 可能必須下達多個 finish 才能回到原來的進入點。
-
up: 直接回到上一層的 frame，並顯示其 stack 資訊，如進入點及傳入的參數等。
-
up 2: 直接回到上三層的 frame，並顯示其 stack 資訊。 -
down: 直接跳到下一層的 frame，並顯示其 stack 資訊。
必須使用 up 回到上層的 frame 後，才能用 down 回到該層來。
-
display: 在遇到中斷點時，自動顯示特定變數的內容。
-
undisplay: 取消
display。 -
commands: 在遇到中斷點時要自動執行的指令。
-
info: 顯示一些特定的資訊，如：
-
info break顯示中斷點。 -
info share顯示共享函式庫資訊。
-
-
disable: 暫時關閉某個 breakpoint 或 display。
-
enable: 將被暫時關閉的功能啟用。
-
clear/delete: 刪除某個 breakpoint。
-
set: 設定特定參數，如:
set env設定/修改環境變數。 -
unset: 取消特定參數，如:
unset env刪除環境變數。 -
show: 顯示特定參數。如:
show environment顯示環境變數。 -
attach PID: 載入已執行中的程式以進行除錯。其中的 PID 可由 ps 指令取得。
-
detach PID: 釋放 attached program。
-
shell: 執行 Shell 指令，例如:
shell ls會呼叫 shell 並執行 ls 指令。 -
quit: 離開 gdb。
-
<Enter>: 直接執行上個指令。
除了可以使用 b 設定中斷點外，透過下面程式碼中的方法，我們同樣可以在程式碼中設置中斷點:
int main() {
int val = 1;
val = 42;
asm("int $3"); // set a breakpoint here
val = 7;
}不只如此，我們還可以利用前置處理器讓除錯變得更容易:
int main() {
int val = 1;
val = 42;
#ifdef DEBUG
asm("int $3"); // set a breakpoint here
#endif
val = 7;
}$ gcc main.c -g -DDEBUG -o main
gdb ./main
(gdb) r
[...]
Program received signal SIGTRAP, Trace/breakpoint trap.
main () at main.c:6
6 val = 7;
(gdb) p val
$1 = 42
上面的範例告訴我們，當 Process 執行到第六行時收到了訊號 SIGTRAP，接著我們可以使用 p 印出變數當前儲存的內容。
如果覺得 GDB 的命列列模式不夠友善，我們也可以使用 GDB 提供的 TUI Mode。該模式會顯示除錯中的程式碼，並且將當前執行的程式反白:
要使用 TUI Mode，有幾種方法:
- 使用命令:
gdb -tui
或是:
gdbtui
- 進入 GDB 後使用組合鍵
ctrl+x+a，如果要退出 TUI Mode 則再次使用組合鍵即可。
因為在修改 Timer_handler 時出現了一些異常，所以筆者嘗試為 mini-riscv-os 新增 debug 腳本，效果如下:
make debug
riscv64-unknown-elf-gcc -nostdlib -fno-builtin -mcmodel=medany -march=rv32ima -mabi=ilp32 -g -Wall -T os.ld -o os.elf start.s sys.s lib.c timer.c task.c os.c user.c trap.c lock.c
Press Ctrl-C and then input 'quit' to exit GDB and QEMU
-------------------------------------------------------
Reading symbols from os.elf...
Breakpoint 1 at 0x80000000: file start.s, line 7.
0x00001000 in ?? ()
=> 0x00001000: 97 02 00 00 auipc t0,0x0
Thread 1 hit Breakpoint 1, _start () at start.s:7
7 csrr t0, mhartid # read current hart id
=> 0x80000000 <_start+0>: f3 22 40 f1 csrr t0,mhartid
(gdb)因為 mini-riscv-os 使用了 Make 建構工具，為了保持一致性，我們需要在 Makefile 動一點手腳。 至於 gdbinit 則是設定 gdb 的一些參數，內容如下:
set disassemble-next-line on
b _start
target remote : 1234
c
接著，在 Makefile 加入以下內容:
.PHONY : debug
debug: all
@echo "Press Ctrl-C and then input 'quit' to exit GDB and QEMU"
@echo "-------------------------------------------------------"
@${QEMU} ${QFLAGS} -kernel os.elf -s -S &
@${GDB} os.elf -q -x ./gdbinit
這樣一來，就能夠在開發作業系統時使用 GDB 進行除錯了!
實際上，我們可以將中斷點設置在指定檔案的指定行數上:
(gdb) b trap.c:27
Breakpoint 2 at 0x80008f78: file trap.c, line 27.
(gdb)根據上面的範例，當虛擬機執行到 trap.c 的第 27 行時，整個工作都會被暫停下來直到我們按下 c (continue) 或是 s (step)。
這麼做可以讓作業系統每一次發生中斷時都暫停執行，這時就可以利用 gdb 檢查 stack、特定變數或是暫存器的狀態是否符合我們的預期。