Armv8 Kernel Monitor

Kernel Monitor 是什么

Kernel Monitor 是一个适配我们微内核操作系统的 Kernel 调试和监控系统. 它能实现内核的动态调试和监控. 同时, 它还接管内核的同步异常和系统错误, 使开发者能够了解发生异常时系统的状态.

Kernel Monitor 具有一定的可扩展性, 例如通过统计内核中存储的 TCB 来实时监控系统中所有线程的状态. 可根据开发者的需求添加统计的对象, 如 Endpoint, Capability等.

Kernel Monitor 总体设计

Kernel Monitor 系统包含 Clinet 和 Server 两个部分. 简单来说, Client 负责处理用户输入, 并将输入进行解析, 封装为一系列基础命令. 发送给 Server. Server 负责执行这些基础的命令, 如设置断点, 查看某个地址的值等.

整个系统有两种架构: 本地 Monitor 和远程 Monitor.

本地monitor 和远程 monitor 的区别是: Monitor Client 的位置在哪, 是否与 Server 在同一个机器上.

先说 Monitor Server, 它必须嵌入要调试的 Kernel 中, 位于一个地址空间, 方便操作 Kernel 的内存.

本地 Monitor

在本地 Monitor 中, client 和 sever 都位于目标机(Target)上, 目标机通常是开发板.

对于 AArch64 体系结构来说, 最多有四个异常等级(EL0-EL3). Client 可以运行在EL2.

远程 Monitor

远程 Monitor 架构则不同, Clinet 运行在宿主机(Host)上, 通常是Linux. 它与 Server 的通信是通过网络/UART实现的.

Monitor Client 运行在本地和远程对于实现的难度和用户体验有影响.
如果 Client 实现在本地, 则 Client 无需实现网口和串口的驱动, 但Monitor 输入输出的串口与操作系统本身的串口相同, 信息冗杂在一起不易查看; 同时, 如果 Client 实现在本地, 那么对于ELF的解析需要在无操作系统提供的库支持下完成, 可能比较复杂.
如果 Client 实现在远程, 即为 Linux 上的一个APP. 那么它和 Server 的通信就需要通过外部的网口或者串口(对于我们使用的64位开发板只引出了一个串口, 所以只能使用网口). 需要在 Server 上实现网口的驱动, 这部分比较复杂. 但是好处是 Client 的实现简单很多, 因为有 Linux APP 运行环境的支持. 同时, 远程 Monitor 架构下, Monitor 和操作系统自身的输入输出分开, 用户可读性更好.

Server 是嵌入到Kernel的代码中, 与Client进行交互. 它是整个 Monitor 系统的后端, 负责实现基础的调试操作. 例如, 设置断点, 内存的读写, 寄存器的读写等.

由于Server与 Kernel 位于同一个地址空间, 所以查看/修改内存的值是非常方便的. 对于寄存器也是同理.
断点(Breakpoint), 监视点(Watchpoint), 单步执行(Soft step)的实现依赖与 ARMv8 提供的的 self-hosted debug 支持.

同时, Server 还负责监视系统中所有的同步异常和系统错误. 一旦发生, 可在 Monitor 中查看某些内存, 寄存器的值定位问题发生的原因.

Monitor Client 设计

Client 的构成可分为三个模块 :

用户交互模块
符号处理模块
消息收发模块

用户交互模块负责处理用户的输入输出, 调用其他两个模块完成调试命令.

符号处理模块负责解析可执行文件(ELF), 并建立静态符号表, 存储符号和地址的对应关系. 将用户输入的符号解析为虚拟地址, 或者反向解析.

消息收发模块负责处理用户的输入, 将其转化为基础, 标准的命令, 发送给Server执行. Client 和 Server之间通信的数据包协议可以使用 GDB Remote Serial Protocol (以下简称RSP协议), 或者自己规定一个协议也是可行的.

RSP协议支持三种基础命令:
寄存器相关
内存相关
程序控制命令

启用 Monitor 时 Kernel 启动流程

Kernel 首先做必要的初始化, GIC, 异常向量表, MMU等.
将控制权交给 Monitor, 等待用户输入.

Kernel debug 过程示例

示例一: 查看变量 `var` 的值

用户输入 print var 指令.
由符号处理模块, 将var符号转为var 虚拟地址.
由消息收发指令将请求封装为RSP协议包格式, 并发送到 Monitor Server.
执行流程交给 Monitor Server, 它访问该地址, 将内容封装发回 Monitor Client.
Client 输出var的值, 继续等待用户输入

示例二: 添加断点到 `main` 函数

用户输入 break main 指令
由符号处理模块, 解析得到 main 函数的地址.
消息收发模块将请求封装为RSP包格式, 发送到Monitor Server.
执行流程交给 Server. 它执行 breakpoint exception 指令, 并设置相关软件断点相关寄存器
执行流交给 Kernel, 直到达到断点处(可使用地址+ContextID双重验证), 触发Debug异常
Debug异常属于同步异常, 由 Monitor 系统接管, 回到 Client 继续等待用户输入

示例三: 单步执行

用户输入 step 指令
消息收发模块将请求封装为RSP包格式, 发送到 Monitor Server.
执行流程交给 Server, 启用 software step. 然执行一次异常返回, 回到Kernel 继续执行.
因为启用了 Software step, 回到 Kernel 执行完一条指令后, 就会触发 Debug异常
Debug 异常属于同步异常, 由 Monitor 系统接管, 回到 Client 继续等待用户输入

其他拓展功能

back trace

性能分析