自己动手从零写桌面操作系统GrapeOS系列教程——12.QEMU+GDB调试

学习操作系统原理最好的方法是自己写一个简单的操作系统。

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写程序不免需要调试，写不同的程序调试方式也不同。如果做应用软件开发，相应的程序调试方式是建立在有操作系统支持的基础上的。而我们现在是要开发操作系统，如何调试操作系统的程序呢？如果操作系统程序直接跑在真机上或虚拟机上（比如VirtualBox）是很难调试的，所以我们在开发阶段操作系统程序主要在虚拟机QEMU上跑，因为QEMU支持调试。当然很多事情都是有利也有弊的，QEMU虽然支持调试，但它的运行效率比VitrualBox要低，所以我们最终的GrapeOS程序是跑在VirtalBox上的。QEMU需要结合GDB才能实现调试，下面我们一起来学习一下。

一、QEMU调试模式

在Windows的cmd命令行中输入如下一行命令：

qemu-system-i386 d:\GrapeOS\VMShare\GrapeOS.img -S -s

上面这行命令比之前多了两个参数，“-S”表示让CPU在将要执行第一条指令前暂停，“-s”表示让QEMU打开自带的GDB服务端功能，且网络端口号是1234。截图如下：

执行上面的命令后，会弹出QEMU的窗口：

从上图中可以看到QEMU窗口中间显示一行文字“Guest has not initialized the display(yet).”，此时QEMU已进入调试模式。当QEMU进入调试模式后，就在等待GDB客户端来连接它。当GDB客户端连接上QEMU的GDB服务端就可以调试了。就像我们用PowerShell连接到CentOS就可以在PowerShell中操纵CentOS一样，此时PowerShell是客户端，CentOS是服务端。下面我们来介绍GDB客户端。

二、GDB调试

GDB分为服务端和客户端，单说GDB，一般是指GDB客户端。GDB是Linux中的一个调试软件，所以我们准备在CentOS中使用它。首先我们通过PowerShell登录CentOS。

1.安装GDB

首次使用GDB可能需要安装一下：

yum install gdb

2.启动GDB

敲命令gdb就运行了，如下图：

3.GDB连接到QEMU

在GDB中输入如下命令连接QEMU：

target remote 192.168.10.102:1234

上面这行命令中的IP地址“192.168.10.102”是我的Windows的IP地址，你需要替换成你的Windows的IP地址。截图如下：

如上截图所示，我们已经通过GDB连接到QEMU了。图中倒数第二行的十六进制数“0x0000fff0”表示CPU将要执行的指令地址。还记得前面介绍的实模式下1M内存的布局吗？这个地址在BIOS中，是CPU执行的第一条指令所在的地址。

4.设置断点

设置断点是调试必备的一个功能，比如我们在0x7c00处设置个断点：

b *0x7c00

这样就设置好了一个断点。可以用同样的方式设置多个断点。

5.继续运行

这个命令简单，只有一个字母“c”，然后回车即可让CPU继续运行，当遇到断点时会自动暂停。截图如下：

6.查看寄存器

查看所有寄存器的命令是i r，截图如下：

从上图中可以看到此时CPU中很多寄存器的值，有朋友可能会有个疑问，以前学的寄存器是“ax、bx、cx……”这些，上面截图中怎么是“eax、ebx、ecx……”呢？原因是当年8086CPU的寄存器都是16位的，也就是“ax、bx、cx……”这些，很多讲x86汇编语言的资料都只讲了8086下的情况。而我们现在启动的是32位x86模拟器“qemu-system-i386”，所有通用寄存器多了一个字母“e”表示扩展，从16位扩展成了32位。这些32位通用寄存器中的低16位就是原来的16位寄存器，比如eax的低16位还是ax，ah和al仍然表示ax的高8位和低8位，其它寄存器也一样。这就是兼容，能让旧程序在新CPU上运行。之前的16位寄存器中只有段寄存器没有扩展，还是16位的，而且还增加了2个，分别是fs和gs。增加的这2个段寄存器作用和es基本一样，之所以增加是怕在复杂的程序中出现段寄存器不够用的情况。当数据比较多的时候GDB一般只输出一部分，此时如果按回车键还会显示出其它一些寄存器，但我们用不上，按“q”键退出继续输出即可。

下面来看一下如何查看单个寄存器，比如我们要查看寄存器ax的值，输入命令p $ax，如果想以十六进制显示可以输入命令p /x $ax，截图如下：

7.查看内存

命令格式：x /nfu addr
n表示数量
f表示格式：x(hex), d(decimal), c(char)等。
u表示显示单位：b(byte), h(halfword), w(word), g(giant, 8 bytes)。
下面我们分别演示查看0x7c00开始的8个单字节、8个双字节、8个四字节、8个八字节的内存值。截图如下：

虽然目前看到的数据都是0，但我们以后写上程序就不一样了。

8.反汇编

有时候需要将机器码反汇编成汇编代码方便查看，下面我们以反汇编0x7c00开始的10个字节为例：

disas 0x7c00,+10

截图如下：

上面截图中显示的汇编代码是GDB默认的AT&T语法，我们可以设置改成Intel语法：

set disassembly-flavor intel

截图如下：

需要说明一下的是这里的反汇编结果是错的。因为它是按照32位模式反汇编的，而我们现在还处在16位实模式中，所以这个反汇编功能只能等后面我们进入32位模式才有用。至于反汇编16位代码我们会在后续教程中介绍其它方法。

9.执行下一条指令

在调试的时候有时需要一条指令一条指令的单步执行，单步执行的命令是si。

从上面的截图可以看到，每输入一个si回车，就会执行一条命令。每个si命令下面一行中的十六进制数表示下一条指令的地址，可以看到地址在不断增加，说明的确在执行指令。如果想知道每一步都执行了什么指令，可以用下面这个命令来反汇编下一条要执行的指令：

set disassemble-next-line on

从上面截图中可以看到每一步的指令，但这个反汇编结果也是错的，原因和上面的一样。
顺便介绍个小技巧，如果不输入命令直接回车会重复上一个GDB命令，就像上图中最后两步，什么命令都没有直接回车就表示重复执行si这个GDB命令。

10.退出GDB

本讲最后介绍的指令是退出GDB，非常简单，输入q，然后再输入y即可。 截图如下：

退出GDB后就又回到进入GDB前的Linux命令行环境中了。

三、退出GDB后的问题

如果大家按照上面顺序做实验，退出GDB后，CPU占用率会比较高，和上讲中的情况一样，直接关闭QEMU窗口即可。这个问题我们在下一讲中解决。

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本讲视频版地址：https://www.bilibili.com/video/BV18G4y1P7CU/
本教程代码和资料：https://gitee.com/jackchengyujia/grapeos-course
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