005-09: QEMU GDB 调试

概述

QEMU 内置 GDB stub 功能，允许开发者通过 GDB 远程调试虚拟机中的代码。Cinux 使用 QEMU 的 -s 和 -S 参数实现内核调试。

1. QEMU GDB 参数

核心参数

参数	说明	默认值
`-s`	启动 GDB stub，监听 TCP 端口 1234	关闭
`-S`	启动时暂停 CPU，等待 GDB 连接	直接启动

完整启动命令

bash

qemu-system-x86_64 \
    -drive file=build/cinux.img,format=raw \
    -s \                    # GDB stub on :1234
    -S \                    # 启动时暂停
    -serial stdio \         # 串口输出到终端
    -no-reboot \            # 禁用自动重启
    -no-shutdown            # panic 时不退出

CMake 配置

来源：cmake/qemu.cmake

makefile

set(QEMU_DEBUG_FLAGS
    -s      # GDB stub on localhost:1234
    -S      # Freeze at startup
)

2. GDB Remote 协议

连接流程

展开代码 (共 32 行)收起代码

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    GDB Remote 连接流程                       │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                             │
│  1. QEMU 启动                                               │
│     qemu-system-x86_64 -s -S disk.img                      │
│            │                                                │
│            ▼                                                │
│     QEMU GDB stub 监听 :1234                                │
│                                                             │
│  2. GDB 连接                                                │
│     gdb kernel.elf                                          │
│     (gdb) target remote :1234                               │
│            │                                                │
│            └──────────────► TCP 连接建立                     │
│                                                             │
│  3. GDB 发送命令                                            │
│     - 读取寄存器: $g               (GDB → QEMU)            │
│     - 读取内存: $m addr,length    (GDB → QEMU)            │
│     - 写入内存: $M addr,length:... (GDB → QEMU)            │
│     - 单步执行: $s                (GDB → QEMU)            │
│     - 继续执行: $c                (GDB → QEMU)            │
│            │                                                │
│            ▼                                                │
│     QEMU 执行命令，返回结果                                  │
│                                                             │
│  4. 断点处理                                                │
│     - GDB 设置断点: $Z0,addr,kind  (插入软件断点)          │
│     - QEMU 执行到断点暂停                                   │
│     - QEMU 通知 GDB: $S05          (SIGTRAP)               │
│                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

协议数据包示例

GDB → QEMU: $g#7a          # 读取所有寄存器
QEMU → GDB: xxxxxxxx...    # 寄存器值（16进制）

GDB → QEMU: $m7c00,2#xx    # 读取 0x7c00 开始的 2 字节
QEMU → GDB: xxxxxx         # 内存内容

GDB → QEMU: $Z0,7c00,1#xx  # 在 0x7c00 设置断点
QEMU → GDB: $OK#9a         # 成功

GDB → QEMU: $s#xx          # 单步执行
QEMU → GDB: $S05#xx        # 停止，SIGTRAP

GDB → QEMU: $c#xx          # 继续执行
QEMU → GDB: $S05#xx        # 遇到断点，SIGTRAP

3. 常用 GDB 命令

基础命令

命令	缩写	说明
`target remote :1234`	-	连接到 QEMU GDB stub
`file kernel.elf`	-	加载符号文件
`break main`	`b main`	设置断点
`continue`	`c`	继续执行
`next`	`n`	单步跳过（源码级）
`step`	`s`	单步进入（源码级）
`nexti`	`ni`	单步跳过（指令级）
`stepi`	`si`	单步进入（指令级）
`finish`	`fin`	执行到当前函数返回
`backtrace`	`bt`	显示调用栈
`frame N`	`f N`	切换到第 N 层栈帧

信息查看

命令	说明
`info registers`	显示所有寄存器
`info registers rip`	显示特定寄存器
`x/10i $pc`	反汇编当前指令（10 条）
`x/10x 0xaddress`	以十六进制显示内存
`x/10s 0xaddress`	以字符串显示内存
`disassemble`	反汇编当前函数

断点管理

命令	说明
`break *0xaddress`	在地址设置断点
`break main`	在函数入口设置断点
`info breakpoints`	显示所有断点
`delete N`	删除第 N 个断点
`disable N`	禁用第 N 个断点
`enable N`	启用第 N 个断点
`watch *0xaddress`	设置观察点（内存变化时触发）

4. 调试会话示例

示例 1：调试内核入口

展开代码 (共 21 行)收起代码

bash

# Terminal 1: 启动 QEMU
cd build && make run-debug
# QEMU 启动并暂停

# Terminal 2: 启动 GDB
gdb build/kernel/mini/mini_kernel
(gdb) target remote :1234
Remote debugging using :1234
0x00007c00 in ?? ()
(gdb) break *0xFFFFFFFF80020000
Breakpoint 1 at 0xffffffff80020000
(gdb) continue
Continuing.

Breakpoint 1, 0xffffffff80020000 in _start ()
(gdb) x/5i $pc
=> 0xffffffff80020000 <_start>: cli
   0xffffffff80020001 <_start+1>: movb $0x31, %al
   0xffffffff80020003 <_start+3>: outb %al, $0xe9
   0xffffffff80020005 <_start+5>: movq $__mini_stack_top, %rsp
   0xffffffff8002000c <_start+12>: xorq %rbp, %rbp

示例 2：调试 C++ 函数

展开代码 (共 24 行)收起代码

plaintext

(gdb) break mini_kernel_main
Breakpoint 2 at 0xffffffff800201a0
(gdb) continue
Continuing.

Breakpoint 2, mini_kernel_main (boot_info_addr=18446744071562067968)
    at kernel/mini/test/main_test.cpp:20
20      BootInfo* boot_info = (BootInfo*)__boot_info_ptr;
(gdb) list
15      using cinux::mini::lib::kdebugf;
16
17      extern "C" {
18      extern uint64_t __boot_info_ptr;
19      void run_cpp_tests();
20      }
21
22      extern "C" [[noreturn]] void mini_kernel_main(uint64_t boot_info_addr) {
23      BootInfo* boot_info = (BootInfo*)__boot_info_ptr;
24      (void)boot_info_addr;
25      (void)boot_info;
(gdb) print __boot_info_ptr
$1 = 28672
(gdb) x/1gx &__boot_info_ptr
0xffffffff800226e8 <__boot_info_ptr>: 0x0000000000007000

5. 模式切换调试

问题：保护模式 → 长模式切换

GDB 在模式切换时可能丢失符号或无法正确单步。

解决方案：

plaintext

# 在已知稳定的地址设置断点
(gdb) break *0x7c00     # 实模式入口
(gdb) break *0x8000     # 保护模式入口
(gdb) break *0xFFFFFFFF80020000  # 长模式入口

# 使用 continue 而非 step 跨越模式切换
(gdb) continue

6. 常见问题

Q1: GDB 显示 "Cannot access memory at address"

原因：地址未映射或页表未设置

解决：

plaintext

# 检查 CR3 寄存器（页表基址）
(gdb) info registers cr3
# 检查是否在正确的地址空间

Q2: 单步执行跳到错误位置

原因：优化导致代码重排

解决：

bash

# 使用 Debug 构建
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -B build

Q3: 符号未加载

原因：ELF 文件路径不匹配

解决：

plaintext

(gdb) file build/kernel/mini/mini_kernel
(gdb) add-symbol-file build/boot/stage2

7. QEMU 与 GDB 版本兼容性

QEMU 版本	GDB 版本	兼容性
≤ 8.0	≤ 13	完全兼容
8.1 - 9.0	14 - 15	完全兼容
≥ 9.0	≥ 16	需要 `-gdb-set architecture i386:x86-64`

GDB 17.x 兼容性修复

plaintext

# .vscode/gdbinit
set architecture i386:x86-64
set disassembly-flavor intel

005-09: QEMU GDB 调试

概述

1. QEMU GDB 参数

核心参数

完整启动命令

CMake 配置

2. GDB Remote 协议

连接流程

协议数据包示例

3. 常用 GDB 命令

基础命令

信息查看

断点管理

4. 调试会话示例

示例 1：调试内核入口

示例 2：调试 C++ 函数

5. 模式切换调试

问题：保护模式 → 长模式切换

6. 常见问题

Q1: GDB 显示 "Cannot access memory at address"

Q2: 单步执行跳到错误位置

Q3: 符号未加载

7. QEMU 与 GDB 版本兼容性

GDB 17.x 兼容性修复

8. 参考资源

官方文档

社区资源

相关链接

005-09: QEMU GDB 调试 ​

概述 ​

1. QEMU GDB 参数 ​

核心参数 ​

完整启动命令 ​

CMake 配置 ​

2. GDB Remote 协议 ​

连接流程 ​

协议数据包示例 ​

3. 常用 GDB 命令 ​

基础命令 ​

信息查看 ​

断点管理 ​

4. 调试会话示例 ​

示例 1：调试内核入口 ​

示例 2：调试 C++ 函数 ​

5. 模式切换调试 ​

问题：保护模式 → 长模式切换 ​

6. 常见问题 ​

Q1: GDB 显示 "Cannot access memory at address" ​

Q2: 单步执行跳到错误位置 ​

Q3: 符号未加载 ​

7. QEMU 与 GDB 版本兼容性 ​

GDB 17.x 兼容性修复 ​

8. 参考资源 ​

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2. GDB Remote 协议

连接流程

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3. 常用 GDB 命令

基础命令

信息查看

断点管理

4. 调试会话示例

示例 1：调试内核入口

示例 2：调试 C++ 函数

5. 模式切换调试

问题：保护模式 → 长模式切换

6. 常见问题

Q1: GDB 显示 "Cannot access memory at address"

Q2: 单步执行跳到错误位置

Q3: 符号未加载

7. QEMU 与 GDB 版本兼容性

GDB 17.x 兼容性修复

8. 参考资源

官方文档

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