一生一芯学习：基础设施(2)
指令执行的踪迹 - itrace
首先写好一个环形缓冲区的代码，把反汇编的字符串存到环形缓冲区中，然后执行完代码在打印出来。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>
#define IRINGBUF_SIZE 16
#define LOGBUF_SIZE 128
// 定义环形缓冲区结构体
typedef struct {
char buffer[IRINGBUF_SIZE][LOGBUF_SIZE]; // 每个环形缓冲器的格子里面放一个字符串
int head;
int count;
} CircularBuffer;
void initBuffer(CircularBuffer *cb){
//strcpy(cb->buffer , (char *)malloc(sizeof(char) * IRINGBUF_SIZE * LOGBUF_SIZE));
cb->head = 0;
cb->count = 0;
}
void enqueue(CircularBuffer *cb, const char *logbuf) {
strncpy(cb->buffer[cb->head], logbuf, LOGBUF_SIZE - 1);
cb->buffer[cb->head][LOGBUF_SIZE - 1] = '\0';
cb->head = (cb->head + 1) % IRINGBUF_SIZE; //能直接15+1变成0
if (cb->count < IRINGBUF_SIZE) {
cb->count++;
}
}
void printBuffer(CircularBuffer *cb) {
if (cb->count == 0) {
//printf("缓冲区为空\n");
return;
}
int idx = (cb->head + IRINGBUF_SIZE - cb->count) % IRINGBUF_SIZE;
for (int i = 0; i < cb->count; i++) {
if(i == cb->count-1){
printf("->%s\n", cb->buffer[(idx + i) % IRINGBUF_SIZE]);
}
else{
printf(" %s\n", cb->buffer[(idx + i) % IRINGBUF_SIZE]);
}
}
}
static void execute(uint64_t n) {
Decode s;
initBuffer(&cb); // 初始化环形缓冲区，大小为BUFFER_SIZE
for (;n > 0; n --) {
exec_once(&s, cpu.pc);
g_nr_guest_inst ++;
trace_and_difftest(&s, cpu.pc);
if (nemu_state.state != NEMU_RUNNING) {break;}
IFDEF(CONFIG_DEVICE, device_update());
}/*条件编译宏，如果CONFIG_DEVICE被定义，则调用device_update函数，如果 CONFIG_DEVICE 没有被定义，
这一行什么都不会生成（等价于被注释掉）。*/
printBuffer(&cb);
}
内存访问的踪迹 - mtrace
只需要在paddr_read()和paddr_write()中进行记录即可.
//读物理地址
word_t paddr_read(paddr_t addr, int len) {
//printf("进来了\n");
if (likely(in_pmem(addr))) {
//printf("进来了\n");
IFDEF(CONFIG_MTRACE, Log("read in address = " FMT_PADDR ", len = %d\n", addr, len));
return pmem_read(addr, len);
}
IFDEF(CONFIG_DEVICE, return mmio_read(addr, len));
//printf("");
out_of_bound(addr);
return 0;
}
//写物理地址
void paddr_write(paddr_t addr, int len, word_t data) {
if (likely(in_pmem(addr))) {
pmem_write(addr, len, data);
IFDEF(CONFIG_MTRACE, Log("write in address = " FMT_PADDR ", len = %d, data = " FMT_WORD "\n", addr, len, data));
return; }
IFDEF(CONFIG_DEVICE, mmio_write(addr, len, data); return);
out_of_bound(addr);
//Log("weiwei");
}
FTRACE
首先要知道ftrace是用来追踪程序执行过程中的函数调用和返回的。函数的调用和返回一般要使用jal和jalr这两条指令，然后去看下反汇编，发现call行为发生在当rd=1时候的jal中和当rd=1的或者rd=0，imm=0的jalr中，return发生在当inst=0x00008067中。
INSTPAT("??????? ????? ????? ??? ????? 11011 11", jal , J, R(rd) = s->pc + 4;
s->dnpc = s->pc + imm;
IFDEF(CONFIG_FTRACE, {
if (rd == 1) {
call_trace(s->pc, s->dnpc);
}})
);
INSTPAT("??????? ????? ????? 000 ????? 11001 11", jalr , I, R(rd) = s->pc + 4;
s->dnpc = (src1 + imm) & (~1);
IFDEF(CONFIG_FTRACE,{
if (s->isa.inst == 0x00008067)
ret_trace(s->pc);
else if (rd == 1) {call_trace(s->pc, s->dnpc);}
else if (rd == 0 && imm == 0) {call_trace(s->pc, s->dnpc);}
})
);
然后你需要传输elf文件给nemu
可以通过parse_args()函数来实现这一功能。
首先定义一个elf文件
static char *elf_file = NULL;
void sdb_set_batch_mode(); //批处理模式
static char *log_file = NULL;
static char *diff_so_file = NULL;
static char *img_file = NULL;
static int difftest_port = 1234;
然后在parse_args()函数中传入参数
static int parse_args(int argc, char *argv[]) {
const struct option table[] = {
{"batch" , no_argument , NULL, 'b'},
{"log" , required_argument, NULL, 'l'},
{"diff" , required_argument, NULL, 'd'},
{"port" , required_argument, NULL, 'p'},
{"ftrace" , required_argument, NULL, 'f'},
{"help" , no_argument , NULL, 'h'},
{0 , 0 , NULL, 0 },
};
int o;
while ( (o = getopt_long(argc, argv, "-bhl:d:p:f:e:", table, NULL)) != -1) {
switch (o) {
case 'b': sdb_set_batch_mode(); break;
case 'p': sscanf(optarg, "%d", &difftest_port); break;
case 'l': log_file = optarg; break;
case 'f': elf_file = optarg; break;
case 'd': diff_so_file = optarg; break;
case 1: img_file = optarg; return 0;
default:
printf("Usage: %s [OPTION...] IMAGE [args]\n\n", argv[0]);
printf("\t-b,--batch run with batch mode\n");
printf("\t-l,--log=FILE output log to FILE\n");
printf("\t-f,--ftrace=ELF_FILE ftrace ELF to log\n");
printf("\t-d,--diff=REF_SO run DiffTest with reference REF_SO\n");
printf("\t-p,--port=PORT run DiffTest with port PORT\n");
printf("\n");
exit(0);
}
}
除此之外需要在AM的Makefile中写入参数如下:
NEMUFLAGS += -f $(IMAGE).elf
现在elf算是正确传入nemu中了。
于是现在需要处理elf文件了，初始化一下elf文件，采用之前KCONFIIG中宏定义的方式
void init_monitor(int argc, char *argv[]) {
/* Perform some global initialization. */
/* Parse arguments.通过getopt_long传进来的参数决定后面的行为 */
parse_args(argc, argv);
/* parse elf file*/
//printf("%s!!",elf_file);
#ifdef CONFIG_FTRACE
parse_elf(elf_file);
#endif
// parse_elf(elf_file);
/* Set random seed. */
init_rand();
/* Open the log file. */
init_log(log_file);
/* Initialize memory. */
init_mem();
/* Initialize devices. */
IFDEF(CONFIG_DEVICE, init_device());//如果定义了device，那就初始化device，晚点看。
/* Perform ISA dependent initialization. */
init_isa();
/* Load the image to memory. This will overwrite the built-in image. */
long img_size = load_img();
/* Initialize differential testing. */
init_difftest(diff_so_file, img_size, difftest_port);
// printf("diff_so_file = %s\n",diff_so_file);
// printf("img_size = %ld\n",img_size);
/* Initialize the simple debugger. */
init_sdb();
IFDEF(CONFIG_ITRACE, init_disasm());
/*parse ftrace*/
/* Display welcome message. */
welcome();
}
#else // CONFIG_TARGET_AM
static long load_img() {1
extern char bin_start, bin_end;
size_t size = &bin_end - &bin_start;
Log("img size = %ld", size);
memcpy(guest_to_host(RESET_VECTOR), &bin_start, size);
return size;
}
这里先将ftrace.c的代码贴出
//#include <device/map.h>
#include <fcntl.h>
#include <elf.h>
#include <unistd.h>
#include <common.h>
typedef struct SymbolEntry {
char name[128]; //函数名
unsigned char info; //ELF符号类型信息
paddr_t address; //函数起始地址
word_t size; //函数大小
} SymbolEntry;
static SymbolEntry* sym_entrys = NULL;
static uint32_t sym_num = 0;
static uint32_t call_depth = 0;
static uint32_t trace_func_call_flag = 0;
void init_symtab_entrys(FILE *elf_file) {
if (elf_file == NULL) assert(0);
Elf32_Ehdr ehdr;
int result = fread(&ehdr, sizeof(Elf32_Ehdr), 1, elf_file);
assert(&ehdr != NULL && result == 1);
// 检查 ELF 魔数 16进制打开所有的elf文件前四个必须是这四个
if (ehdr.e_ident[0] != 0x7F ||
ehdr.e_ident[1] != 'E' ||
ehdr.e_ident[2] != 'L' ||
ehdr.e_ident[3] != 'F') {
printf("Not a ELF file\n");
exit(0);
}
Elf32_Shdr *shdrs = malloc(sizeof(Elf32_Shdr) * ehdr.e_shnum);//申请节头表的内存空间
assert(shdrs != 0);
result = fseek(elf_file, ehdr.e_shoff, SEEK_SET); //根据文件的开头和偏移跳转到段表
assert(result == 0);
result = fread(shdrs, sizeof(Elf32_Shdr), ehdr.e_shnum, elf_file);//从文件中读取shnum个节头，每个节点的大小是sizeof elfshdr
assert(result != 0);
//遍历节头表，查找符号表和字符串表，用偏移赋值给他
Elf32_Shdr *symtab = NULL;
Elf32_Shdr *strtab = NULL;
for (int i = 0; i < ehdr.e_shnum; i++) {
if (shdrs[i].sh_type == SHT_SYMTAB) {
symtab = shdrs + i;
}
if (shdrs[i].sh_type == SHT_STRTAB) {
strtab = shdrs + i;
}
}
assert(symtab != NULL);
//计算符号表中条目数量 shsize是符号表的大小 shentsize是每个符号条目的大小
//两者相除得到符号表中包含的符号总数量，赋值给全局变量symnum
//获得符号表在ELF文件中的偏移量
uint32_t entry_num = symtab->sh_size / symtab->sh_entsize;
sym_num = entry_num;
uint32_t offset = symtab->sh_offset; //符号数据在文件的起始位置的偏移量多少，用于后面进来读取具体内容。
//把符号表的内容读取到symbol tables中，从 ELF 文件中读取 entry_num 个符号，存入 symbol_tables 数组中。
Elf32_Sym *symbol_tables = malloc(sizeof(Elf32_Sym) * entry_num);
result = fseek(elf_file, offset, SEEK_SET);
assert(result == 0);
result = fread(symbol_tables, sizeof(Elf32_Sym), entry_num, elf_file);
assert(result != 0);
// 初始化自定义符号表
sym_entrys = malloc(sizeof(SymbolEntry) * entry_num);
char *str = malloc(strtab -> sh_size);
int str_result = fseek(elf_file, strtab -> sh_offset, SEEK_SET);
assert(str_result == 0);
str_result = fread(str, 1, strtab -> sh_size, elf_file);
assert(str_result != 0);
assert(str != NULL);
//把strtab中的str解析出来。
for (int i = 0; i < entry_num; i++) {
strcpy(sym_entrys[i].name, str + symbol_tables[i].st_name);
sym_entrys[i].info = symbol_tables[i].st_info;
sym_entrys[i].address = (paddr_t) symbol_tables[i].st_value;
sym_entrys[i].size = (word_t) symbol_tables[i].st_size;
}
free(shdrs);
free(symbol_tables);
free(str);
}
void parse_elf(const char *elf_file) {
if (elf_file == NULL) {
return;
}
Log("The elf file is %s\n", elf_file);
trace_func_call_flag = 1;
FILE *file = fopen(elf_file, "rb");
assert(file != NULL);
init_symtab_entrys(file);
}
char *get_function_name_by_addres(paddr_t addr) {
for (int i = 0; i < sym_num; i++) {
if (ELF32_ST_TYPE(sym_entrys[i].info) == STT_FUNC) {
if (addr >= sym_entrys[i].address && addr <
(sym_entrys[i].size + sym_entrys[i].address)) {
return sym_entrys[i].name;
}
}
}
return NULL;
}
void call_trace(paddr_t pc, paddr_t target) {
if (trace_func_call_flag == 0) return;
++call_depth;
char *name = get_function_name_by_addres(target);
Log(FMT_PADDR ":%*scall [%s@" FMT_PADDR "]\n", pc, call_depth , "", name, target);
}
void ret_trace(paddr_t pc) {
if (trace_func_call_flag == 0) return;
char *name = get_function_name_by_addres(pc);
Log(FMT_PADDR ":%*sret [%s]\n",pc, call_depth , "", name);
--call_depth;
}
重点来看一下这个init_symtab_entrys函数。
第一行把elf文件拖进来，如果不存在那就assert。
然后定义一个Elf32_Ehdr的变量ehdr并且把传进来的elf文件的文件头结构体传进来，重要字段包括
- e_ident:魔数和文件类型标识
- e_shnum:头节表项大小和数量
- e_shoff:头节表偏移（用于定位符号表等）
首先根据ELF头中的e_shnum分配一块数组，用来存放所有节头。
根据ehdr.e_shoff的偏移和elf_file的开头跳转到段表。
并冲文件中读取到ehdr.e_shnum个节头。
随后遍历节头表并且寻找里面的符号包和字符串表。
symtab->sh_size是符号表的大小
symtab->sh_entsize是每个符号条目的大小
而这俩相除可以得到符号表条目的数量。
然后获得符号数据在文件的起始位置的偏移量。
然后把符号表的内容读取到symbol_tables中，
sym_entrys = malloc(sizeof(SymbolEntry) * entry_num);
为 entry_num 个符号分配一个自定义符号条目数组
然后把所需的name info address存进去
大概流程总结一下：
1.用fopen打开ELF文件并读取ELF头（Elf32_Ehdr）,校验一下ELF的魔数。
2.根据 ELF 头的 e_shoff/e_shnum，定位并读入所有节头表（Elf32_Shdr 数组）。
3.在节头表中找到符号表节（sh_type == SHT_SYMTAB），记下：
符号节偏移 sh_offset、大小 sh_size、每项大小 sh_entsize。
正确做法：用 symtab->sh_link 找到“与符号表关联的字符串表节索引”，然后取出该字符串表节作为符号名表（不要随便用第一个 SHT_STRTAB）。
4.计算条目数：entry_num = sh_size / sh_entsize，分配数组读取所有 Elf32_Sym 条目（fseek→fread）。
5.读出字符串表：fseek 到字符串表的 sh_offset，分配缓冲区并 fread 整个字符串表数据。
6.遍历每个符号条目，提取并保存：
sym_entrys[i].info = symbol_tables[i].st_info; // st_info
sym_entrys[i].address = (paddr_t)symbol_tables[i].st_value; // st_value
sym_entrys[i].size = (word_t)symbol_tables[i].st_size; // st_size
名字：str + symbol_tables[i].st_name（先检查 st_name < strtab->sh_size，再拷贝，避免越界，使用 strncpy）
可选过滤：只处理 ELF32_ST_TYPE(st_info) == STT_FUNC（或根据需要过滤局部/全局符号）
7.释放临时缓冲（节头表、symbol_tables、字符串表），但保留 sym_entrys 与 sym_num 供运行时查询。
8.注意事项：检查返回值、避免越界、处理 32/64 位差异、注意字节序与 sh_entsize 是否与 sizeof(Elf32_Sym) 匹配。
初始化完elf文件把重要信息放到自定义符号表中后根据pc的地址找到符号表的名字。
char *get_function_name_by_addres(paddr_t addr) {
for (int i = 0; i < sym_num; i++) {
if (ELF32_ST_TYPE(sym_entrys[i].info) == STT_FUNC) {
if (addr >= sym_entrys[i].address && addr <
(sym_entrys[i].size + sym_entrys[i].address)) {
return sym_entrys[i].name;
}
}
}
return NULL;
}
随后在jal和jalr中调用call和ret就行。
最后在KCONFIG中像之前一样定义config_ftrace，在monitor.c中宏定义if是否使用这个ftrace即可。
还是非常的困难的。
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