-
Notifications
You must be signed in to change notification settings - Fork 1
/
lab04.tex
346 lines (267 loc) · 19 KB
/
lab04.tex
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
\chapter{Использование симуляции для отладки приложений}\label{chap:lab04}
В ходе данной лабораторной работы слушатели ознакомятся со способами изучения состояния симулируемой системы, отладки приложений, в том числе с символьной информацией, запущенных под управлением гостевой ОС.
Хотя для отладки приложений непосредственно на хозяйской системе существует достаточно широкий набор инструментов, например GDB~\cite{gdb}, WinDbg~\cite{windbg} и KВ, в ряде сценариев, таких как отладка системного кода BIOS или ОС, симуляция обеспечивает определённые удобства и преимущества, например, отсутствие необходимости использовать отдельную физическую машину для запуска отладчика. На ранних стадиях загрузки системы, когда никакой отладчик ещё не может быть подключен, моделирование является единственным решением.
Подробная информация о поддерживаемых методах отладки в Simics содержится в~\cite{analyzer, hindsight}.
\section{Цель занятия}
\begin{itemize*}
\item Научиться подготавливать модель к символьной отладке приложений.
\item Изучить команды инспектирования состояния гостевой системы.
\end{itemize*}
\section{Ход работы}
В приведённом ниже эксперименте мы будет изучать поведение гостевого приложения средствами инспектирования состояния и символической отладки, присутствующими в Simics. В нашем примере имя этого приложения --- \texttt{debug_example}.
\subsection{Подготовка исследуемой программы}
Исходный код программы \texttt{debug_example.c}, содержащей ошибку, находится в приложении~\ref{chap:debug-example}. Скомпилируйте \texttt{debug_example.c} для архитектуры x86, используя флаг \texttt{-m32}, и с включением отладочной информации в исполняемый файл, флаг \texttt{-g}.
\begin{lstlisting}
gcc -m32 -g -static debug_example.c -o debug_example
\end{lstlisting}
\subsection{Подготовка гостевой системы}
\begin{enumerate}
\item Загрузите Simics со стартовым скриптом \texttt{viper-busybox.simics} в конфигурации с процессором класса \texttt{core-i7-single}:
\begin{lstlisting}
$ ./simics -e '$cpu_class=core-i7-single' targets/x86-x58-ich10/viper-busybox.simics
\end{lstlisting}
\item Включите режим обратного исполнения. Затем запустите симуляцию:
\begin{lstlisting}
simics> enable-reverse-execution
simics> continue
\end{lstlisting}
\item После того как гостевая система загрузится, авторизуйтесь и примонтируйте хозяйскую файловую систему и скопируйте файл изучаемого приложения внутрь гостя
\begin{lstlisting}
busybox login: root
~ # mount /host
~ # cp /host/home/user/debug_example ./
~ # chmod +x debug_example
\end{lstlisting}
\item Проверьте настройки отладчика запуском симуляции и командой:
\begin{lstlisting}
simics> viper.software.list
\end{lstlisting}
Вывод в консоль должен содержать список запущенных процессов на гостевой системе.
\begin{lstlisting}
Process Binary PID TID
kthreadd 2
migration/0 3
ksoftirqd/0 4
watchdog/0 5
migration/1 6
ksoftirqd/1 7
watchdog/1 8
events/0 9
events/1 10
khelper 11
async/mgr 14
sync_supers 98
bdi-default 100
kblockd/0 102
kblockd/1 103
kseriod 113
rpciod/0 132
rpciod/1 133
khungtaskd 159
kswapd0 160
aio/0 208
aio/1 209
nfsiod 217
crypto/0 223
crypto/1 224
flush-1:0 967
kjournald 957
init 1 1
sh 974 974
httpd 973 973
telnetd 971 971
\end{lstlisting}
\item Для того чтобы сконфигурировать отладчик, создайте объект символьной таблицы.
\begin{lstlisting}
simics> new-symtable debug_example
Created symbol table 'debug_example'
debug_example set for context viper.cell_context
\end{lstlisting}
\item Затем загрузите символьную информацию из исполняемого файла в созданный объект.
\begin{lstlisting}
simics> viper.software.track node = debug symtable = debug_example
Context debug0 will start tracking debug when it starts
simics> debug_example.load-symbols debug_example
\end{lstlisting}
\end{enumerate}
\subsection{Инспектирование состояния гостевой системы}
\subsubsection{Окно просмотра регистров}
Основное состояние центрального процессора хранится в его регистрах. Для просмотра регистров в Simics используется окно \textbf{CPU registers}, вызываемое через меню главного окна или через команду консоли \texttt{win-cpu-registers}. На рис.~\ref{fig:win-cpu-register-integer} и~\ref{fig:win-cpu-registers-system} показаны примеры содержимого двух вкладок этого окна. Также регистры можно просмотреть с помощью команды \texttt{pregs}:
\begin{lstlisting}
simics> pregs -all
64-bit mode
rax = 0x00007fff387d56a0 r8 = 0x000000000000000b
rcx = 0x0000000000000004 r9 = 0x000000000000000f
rdx = 0x00007fff387d5758 r10 = 0x000000000000000b
rbx = 0x0000000000400e30 r11 = 0x0000000000000008
rsp = 0x00007fff387d5660 r12 = 0x0000000000000000
rbp = 0x00007fff387d5670 r13 = 0x0000000000000000
rsi = 0x00007fff387d5748 r14 = 0x0000000000000000
rdi = 0x0000000000000001 r15 = 0x0000000000000000
rip = 0x00000000004004c3, linear = 0x00000000004004c3
eflags = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 = 0x00000206
I V V A V R - N I I O D I T S Z - A - P - C
D I I C M F T O O F F F F F F F F F
P F P P
L L
es = 0x0000, base = 0x00000000, limit = 0x0, attr = 0x0
cs = 0x0033, base = 0x00000000, limit = 0xffffffff, attr = 0xa0fb
ss = 0x002b, base = 0x00000000, limit = 0xffffffff, attr = 0xc0f3
ds = 0x0000, base = 0x00000000, limit = 0x0, attr = 0x0
fs = 0x0063, base = 0x02024860, limit = 0xffffffff, attr = 0xc0f3
gs = 0x0000, base = 0x00000000, limit = 0x0, attr = 0x0
tr = 0x0040, base = 0xffff88007fc0f900, limit = 0x2087, attr = 0x8b
ldtr = 0x0000, base = 0x00000000, limit = 0xffff, attr = 0x82
idtr: base = 0xffffffff81b85000, limit = 00fff
gdtr: base = 0xffff88007fc04000, limit = 0007f
efer = 1 1 - 1 -- 1 = 0x00000d01
N L L S
X M M C
E A E E
cr0 = 1 0 0 -- 1 - 1 -- 1 1 0 0 1 1 = 0x80050033
P C N A W N E T E M P
G D W M P E T S M P E
cr2 = 0x000000000040c930
cr3 = 0x000000007c01b000
cr4 = 0 - 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 = 0x000006f0
V O O P P M P P D T P V
M S S C G C A S E S V M
X X F E E E E E D I E
E M X
M S
E R
X
C
P
T
dr0 = 0x0000000000000000 disabled
dr1 = 0x0000000000000000 disabled
dr2 = 0x0000000000000000 disabled
dr3 = 0x0000000000000000 disabled
dr6 = 0 0 0 -- 0 0 0 0 = 0xffff0ff0
B B B B B B B
T S D 3 2 1 0
dr7 = 00000400
<Вывод опущен>
\end{lstlisting}
\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.6\textwidth]{./images/win-cpu-registers-integer.png}
% win-cpu-registers-integer.png: 696x492 pixel, 96dpi, 18.41x13.02 cm, bb=0 0 522 369
\caption{Окно просмотра регистров. Вкладка с регистрами общего назначения}
\label{fig:win-cpu-register-integer}
\end{figure}
\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{./images/win-cpu-registers-system.png}
% win-cpu-registers-system.png: 972x693 pixel, 96dpi, 25.71x18.33 cm, bb=0 0 729 520
\caption{Окно просмотра регистров. Вкладка с системными регистрами}
\label{fig:win-cpu-registers-system}
\end{figure}
\subsubsection{Память системы}
Для просмотра различных пространств памяти, присутствующих в моделируемой системе, используется окно \textbf{Memory Contents}, вызываемое также командой \texttt{win-memory} (рис.~\ref{fig:win-memory}).
\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{./images/win-memory.png}
% win-memory.png: 832x420 pixel, 96dpi, 22.01x11.11 cm, bb=0 0 624 315
\caption{Окно просмотра содержимого памяти системы}
\label{fig:win-memory}
\end{figure}
\subsection{Начало отладки}
Поставьте точку останова на функции \texttt{main()} и запустите симуляцию.
\begin{lstlisting}
simics> break (pos main) -x
Breakpoint 92 set on address 0x80485c6 in 'viper.cell_context' with access mode 'x'
simics> continue
\end{lstlisting}
В гостевой ОС запустите исполняемый файл \texttt{debug_example}. Симуляция должна остановиться с выводом в консоль:
\begin{lstlisting}
Breakpoint 922 on instruction fetch from 0x80485c6 in viper.cell_context.
[viper.mb.cpu0.core[0][1]] cs:0x00000000080485c6 p:0x07c17e5c6 lea ecx,4[esp]
Setting new inspection cpu: viper.mb.cpu0.core[0][1]
main (argc=, argv=) at /nfs/ims/home/mvchurik/working_folder/debug_example.c:53
53 (file /nfs/ims/home/mvchurik/working_folder/debug_example.c not found)
\end{lstlisting}
% Перейдите к окну отладки.
\begin{lstlisting}
simics> win-source-view
\end{lstlisting}
Убедитесь, что поле \textbf{Source File} окна \textbf{Source Code} (рис.~\ref{fig:win-source-view}) заполнено. В противном случае загрузите в окно исходный файл кнопкой \textbf{Find}.
\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.6\textwidth]{./win-source-view.png}
\caption{Окно просмотра исходного кода}
\label{fig:win-source-view}
\end{figure}
\subsection{Окна с информацией для символической отладки}
Так как мы предварительно загрузили символьную информацию о приложении, то для его символьной отладки могут быть использованы дополнительные окна, такие как окно исходного кода (рис.~\ref{fig:win-source-view}), дизассемблера (рис.~\ref{fig:win-disassembly}) и стека (рис.~\ref{fig:win-stack-trace}). Информация, содержащаяся в них, также может быть получена с помощью команд \texttt{list <имя функции>}, \texttt{disassemble <адрес> <количество>} и \texttt{stack-trace}.
\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.6\textwidth]{./images/win-disassembly.png}
\caption{Окно дизассемблера}
\label{fig:win-disassembly}
\end{figure}
\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.6\textwidth]{./images/win-stack-trace.png}
% win-stack-trace.png: 674x437 pixel, 96dpi, 17.83x11.56 cm, bb=0 0 505 328
\caption{Окно просмотра стека}
\label{fig:win-stack-trace}
\end{figure}
\subsection{Управление исполнением программы}
Теперь, когда симуляция находится внутри интересующей нас программы, отладчик должен позволять инспектировать состояние её переменных, положение указателя текущей инструкции, а также управлять пошаговым исполнением её операций. Для нас окажутся полезными следующие команды Simics.
\begin{enumerate*}
\item \texttt{sym} --- получить значение переменной, определённой в текущем контексте гостевой программы.
\begin{lstlisting}
simics> sym argc
1
\end{lstlisting}
\item \texttt{step-line} --- выполнить одну строку исходного кода отлаживаемой программы и остановиться.
\item \texttt{next-line} --- выполнить одну строку исходного кода отлаживаемой программы и остановиться, при этом пропустив выполнение подпроцедур, если они вызываются.
\item \texttt{pos} --- узнать адрес функции или строки кода:
\begin{lstlisting}
simics> pos main
0x804832e
simics> pos debug_example.c:5
0x8048260
\end{lstlisting}
\end{enumerate*}
Кроме задания этих команд, управление исполнением может осуществляться с помощью кнопок \textbf{Step} и \textbf{Next} окна Disassembly (рис.~\ref{fig:win-disassembly}).
\subsubsection{Использование точек останова}
\paragraph{Доступы в память.}
Самый простой и часто используемый тип --- это точка останова по виртуальному адресу исполняемой инструкции:
\begin{lstlisting}
simics> break 0x4004b4
Breakpoint 1 set on address 0x4004b4 in 'viper.cell_context' with access mode 'x'
\end{lstlisting}
Кроме инструкций, точки останова могут быть созданы для регионов данных, при этом попытка гостевой программы обратиться к такому региону вызовет остановку симуляции. Формат команды при этом включает дополнительные флаги \texttt{-r} и \texttt{-w} для указания, должна ли она реагировать на чтение или запись памяти:
\begin{lstlisting}
simics> break 0x7fffdc2b3d7c -r -w
Breakpoint 2 set on address 0x7fffdc2b3d7c in 'viper.cell_context' with access mode 'rw'
\end{lstlisting}
Полный формат команды \texttt{break} позволяет выбрать любую комбинацию флагов, а также указать длину наблюдаемого диапазона в байтах:
\begin{lstlisting}
break <address> [length] [-r] [-w] [-x]
\end{lstlisting}
Для того чтобы увидеть данные обо всех установленных точках останова, используется команда \texttt{list-breakpoints}.
\paragraph{Исключения.}
Другой класс событий, который может наблюдаться в отладчике, --- это архитектурные исключения. Для установки таких точек используется команда:
\begin{lstlisting}
break-exception name = Page_Fault_Exception
\end{lstlisting}
Полный список допустимых событий достаточно длинен; нас будут интересовать следующие из них: \texttt{Page_Fault_Exception}, \texttt{General_Protection_Exception}, \texttt{Invalid_Opcode_Exception}.
Точка останова прерывает исполнение симуляции. Если вместо этого желательно просто наблюдать за происходящими событиями, то следует использовать команду \texttt{trace-exception}, синтаксис который аналогичен \texttt{break-exception}.
\section{Задания}
\begin{enumerate*}
\item Начать симуляцию и передать исследуемую программу в гостевую систему.
\item Охарактеризовать тип проблемы, возникающий при работе программы.
\item Отладить программу с помощью Simics.
\end{enumerate*}
\section{Вопросы для самостоятельного изучения}
\begin{enumerate*}
\item Для того чтобы любой отладчик, в том числе вcтроенный в Simics, мог иметь информацию об исходном коде исследуемой программы, информация о нём должна быть доступна ему на этапе отладки. В свою очередь программа должна быть скомпилирована с использованием особенных флагов компиляции. Выясните, какие опции должны быть использованы в случае использования компилятора GCC.
\item Для того чтобы программа, скомпилированная на хозяйской системе, могла быть успешно запущена внутри гостя, требуется соблюсти несколько условий. Одно из них --- использование т.н. статической линковки, в случае GCC обозначаемой флагом \mbox{\texttt{-static}}. Выясните, зачем был использован этот флаг. При каких условиях на гостевую и хозяйскую системы можно использовать динамическую линковку?
\end{enumerate*}
\iftoggle{webpaper}{
\printbibliography[title={Список литературы к занятию}]
}{}