GDB 调试
GDB（GNU Debugger）是 GNU 提供的调试器，其可以用来调试由 GCC 生成的程序。本文将介绍 GDB 的调试原理，解释 GDB 通过什么机制控制被调试程序的执行。
GDB 调试模型
GDB 包含两个程序：GDB 程序和被调试程序。被调试程序可以是远程的，也可以是本地的。对于一般的 STM32 调试，往往利用的是远程调试，即 GDB 程序在本机，被调试程序在芯片上。基本的结构如下图所示。
其中可视化调试程序由各 IDE 提供。与本地调试相比，其多了一个 GdbServer 程序，和目标程序一起运行在目标机中，如 STM32 中。GdbServer 和 GDB 之间通过网络或其他方式进行通讯，使用 RSP 协议（GDB Remote Serial Protocol）。简单而言，其有固定的开始字符 $ 和固定的结束字符 #，中间为命令，在结束字符后面还有两个 16 进制的 ASCII 字符用作校验。如下图所示。
GDB 基础命令
为了完整性，本文在此简略的列出可能用到的 GDB 命令。其往往和 IDE 中的可视化按钮是对应的。
基本命令
| 命令 | 简写 | 作用 |
|---|---|---|
run | r | 运行程序 |
start | 无 | 从 main 开始运行并停下 |
quit | q | 退出 GDB |
help | h | 查看帮助 |
断电控制
| 命令 | 简写 | 作用 |
|---|---|---|
break main | b main | 在函数下断点 |
break 20 | b 20 | 在第 20 行下断点 |
break file.c:20 | 无 | 指定文件行断点 |
info breakpoints | i b | 查看所有断点 |
delete 1 | 无 | 删除编号 1 的断点 |
delete | 无 | 删除所有断点 |
disable 1 | 无 | 禁用断点 |
enable 1 | 无 | 启用断点 |
clear 20 | 无 | 删除指定行断点 |
tbreak 20 | 无 | 临时断点，触发一次后删除 |
运行控制
| 命令 | 简写 | 作用 |
|---|---|---|
continue | c | 继续运行 |
next | n | 单步执行，不进入函数 |
step | s | 单步进入函数 |
finish | 无 | 跑完当前函数 |
until | 无 | 运行到当前循环结束 |
jump 20 | 无 | 跳转执行到第 20 行 |
signal SIGINT | 无 | 给程序发送信号 |
查看代码
| 命令 | 简写 | 作用 |
|---|---|---|
list | l | 查看源码 |
list 20 | 无 | 查看第 20 行附近 |
list main | 无 | 查看函数源码 |
layout src | 无 | TUI 源码窗口 |
layout asm | 无 | TUI 汇编窗口 |
layout split | 无 | 源码+汇编 |
refresh | 无 | 刷新 TUI |
查看变量
| 命令 | 简写 | 作用 |
|---|---|---|
print x | p x | 打印变量 |
print/x x | 无 | 十六进制打印 |
print/d x | 无 | 十进制打印 |
print/t x | 无 | 二进制打印 |
print &x | 无 | 查看变量地址 |
ptype x | 无 | 查看变量类型 |
set var x=10 | 无 | 修改变量值 |
display x | 无 | 每次停下自动显示 |
undisplay 1 | 无 | 删除自动显示 |
查看内存
| 命令 | 简写 | 作用 |
|---|---|---|
x/4x 0x20000000 | 无 | 查看内存 |
x/16bx addr | 无 | 按 byte 查看 |
x/8hx addr | 无 | 按 halfword 查看 |
x/4wx addr | 无 | 按 word 查看 |
x/2gx addr | 无 | 按 64 位查看 |
x/s addr | 无 | 当字符串查看 |
x/i addr | 无 | 反汇编一条指令 |
寄存器
| 命令 | 简写 | 作用 |
|---|---|---|
info registers | i r | 查看全部寄存器 |
print $pc | 无 | 查看 PC |
print $sp | 无 | 查看 SP |
print $lr | 无 | 查看 LR |
set $pc=0x08000100 | 无 | 修改 PC |
set $r0=1 | 无 | 修改寄存器 |
等等。
GDB 和被调试程序
当我们调用 arm-none-eabi-gdb test.elf 启动 GDB 调试时，系统会建立 gdb 进程，并加载 elf 文件。这时，GDB 解析了 ELF 文件，读取了其中包含的调试信息，然后建立符号表。
ELF 当中含有各种段信息，如
.text.data等，GDB 会读取其中的符号表。这样，当执行break main时才知道具体 break 的地址。同时，ELF 文件中还含有 DWARF 调试信息，即源码行号和指令地址的对应关系、变量类型、栈布局、函数参数等，如main.c:35 → 0x0800124C。这样，gdb 才能找到下一行、下一步具体的地址。
此时的 GDB 并没有连接硬件，只是在本地分析 ELF。当启动 OpenOCD（以此为例）时，OpenOCD 会监听 TCP 3333 端口，即 localhost:3333。当在 GDB 中执行 target remote localhost:3333 时，OpenOCD 和 GDB 建立链接。此时，GDB 是 TCP Client，OpenOCD 是 TCP Server。
当链接建立后，如上文所说，GDB 会向 OpenOCD 不断发送协议包。通常，GDB 会先发送 qSupported 指令，询问其支持的功能。如下所示。
+$qSupported:multiprocess+;swbreak+;hwbreak+;qRelocInsn+;fork-events+;vfork-events+;exec-events+;vContSupported+;QThreadEvents+;no-resumed+;xmlRegisters=i386#6a其中，+ 表示在不稳定环境中进行 Packet Acknowledgement。qSupported: 后面的参数是询问是否支持这些参数。OpenOCD 会给出回应：PacketSize 是多少，支持硬件中断等等，如下所示。
+$PacketSize=1024;hwbreak+;QStartNoAckMode+#57再进行一系列其他的校验后，就可以进行通信了：
<-: $p20#d2
->: +$0020380600000000#13诸如此类。
在 OpenOCD 接收到这些指令后，OpenOCD 发送给 DAP-Link（以此为例），然后 DAP-Link 将其转化为 SWD/JTAG 消息。此后，SWD/JTAG 会通过芯片上的 SWDIO/SWCLK 引脚将消息传给芯片 DP。
关于 DP 的概念参考 Flash 烧录。
STM32 芯片内部的 Cortex-M 内核中存在寄存器：DHCSR，即 Debug Halting Control and Status Register。当 SWD 接收到如 next 的命令时，其会写 DHCSR：
C_STEP = 1
C_DEBUGEN = 1并清除 C_HALT。此时，即允许 CPU 执行一步。访问寄存器等操作和 Flash 烧录 中所描述的相似。