软件调试 卷1:硬件基础(第2版) 张银奎 著 专业科技 文轩网

第 一篇  绪论 第  1章 软件调试基础  3 1.1  简介  3 1.1.1  定义  3 1.1.2  基本过程  5 1.2  基本特征  5 1.2.1  难度大  6 1.2.2  难以估计完成时间  7 1.2.3  广泛的关联性  7 1.3  简要历史  8 1.3.1  单步执行  8 1.3.2  断点指令  10 1.3.3  分支监视  11 1.4  分类  12 1.4.1  按调试目标的系统环境分类  12 1.4.2  按目标代码的执行方式分类  12 1.4.3  按目标代码的执行模式分类  13 1.4.4  按软件所处的阶段分类  13 1.4.5  按调试器与调试目标的相对位置分类  14 1.4.6  按调试目标的活动性分类  14 1.4.7  按调试工具分类  15 1.5  调试技术概览  15 1.5.1  断点  15 1.5.2  单步执行  16 1.5.3  输出调试信息  17 1.5.4  日志  17 1.5.5  事件追踪  17 1.5.6  转储文件  18 1.5.7  栈回溯  18 1.5.8  反汇编  18 1.5.9  观察和修改内存数据  19 1.5.10  控制被调试进程和线程  19 1.6  错误与缺欠  19 1.6.1  内因与表象  19 1.6.2  谁的bug  20 1.6.3  bug的生命周期  21 1.6.4  软件错误的开支曲线  21 1.7  重要性  23 1.7.1  调试与编码的关系  23 1.7.2  调试与测试的关系  24 1.7.3  调试与逆向工程的关系  24 1.7.4  学习调试技术的意义  25 1.7.5  调试技术尚未得到应有的重视  25 1.8  本章小结  26 参考资料  26 第二篇  CPU及其调试设施 第  2章 CPU基础  29 2.1  指令和指令集  29 2.1.1  基本特征  30 2.1.2  寻址方式  31 2.1.3  指令的执行过程  32 2.2  英特尔架构处理器  33 2.2.1  80386处理器  34 2.2.2  80486处理器  34 2.2.3  奔腾处理器  35 2.2.4  P6系列处理器  36 2.2.5  奔腾4处理器  38 2.2.6  Core 2系列处理器  38 2.2.7  Nehalem微架构  39 2.2.8  Sandy Bridge微架构  39 2.2.9  Ivy Bridge微架构  40 2.2.10  Haswell微架构  40 2.2.11  Broadwell微架构  41 2.2.12  Skylake微架构  41 2.2.13  Kaby Lake微架构  41 2.3  CPU的操作模式  42 2.4  寄存器  44 2.4.1  通用数据寄存器  44 2.4.2  标志寄存器  45 2.4.3  MSR寄存器  46 2.4.4  控制寄存器  46 2.4.5  其他寄存器  48 2.4.6  64位模式时的寄存器  49 2.5  理解保护模式  50 2.5.1  任务间的保护机制  50 2.5.2  任务内的保护  51 2.5.3  特权级  52 2.5.4  特权指令  53 2.6  段机制  54 2.6.1  段描述符  54 2.6.2  描述符表  56 2.6.3  段选择子  56 2.6.4  观察段寄存器  57 2.7  分页机制  59 2.7.1  32位经典分页  60 2.7.2  PAE分页  66 2.7.3  IA-32e分页  68 2.7.4  大内存页  71 2.7.5  WinDBG的有关命令  72 2.8  PC系统概貌  73 2.9  ARM架构基础  75 2.9.1  ARM的多重含义  75 2.9.2  主要版本  76 2.9.3  操作模式和状态  78 2.9.4  32位架构核心寄存器  80 2.9.5  协处理器  82 2.9.6  虚拟内存管理  83 2.9.7  伪段支持  87 2.9.8  64位ARM架构  88 2.10  本章小结  90 参考资料  90 第3章  中断和异常  91 3.1  概念和差异  91 3.1.1  中断  91 3.1.2  异常  93 3.1.3  比较  93 3.2  异常的分类  93 3.2.1  错误类异常  93 3.2.2  陷阱类异常  94 3.2.3  中止类异常  95 3.3  异常例析  95 3.3.1  列表  95 3.3.2  错误代码  97 3.3.3  示例  97 3.4  中断/异常的优先级  99 3.5  中断/异常处理  100 3.5.1  实模式  100 3.5.2  保护模式  101 3.5.3  IA-32e模式  109 3.6  ARM架构中的异常机制  110 3.7  本章小结  112 参考资料  113 第4章  断点和单步执行  114 4.1  软件断点  114 4.1.1  INT 3  114 4.1.2  在调试器中设置断点  115 4.1.3  断点命中  116 4.1.4  恢复执行  118 4.1.5  特殊用途  118 4.1.6  断点API  119 4.1.7  系统对INT 3的优待  119 4.1.8  观察调试器写入的INT 3指令  121 4.1.9  归纳和提示  122 4.2  硬件断点  123 4.2.1  调试寄存器概览  123 4.2.2  调试地址寄存器  124 4.2.3  调试控制寄存器  124 4.2.4  指令断点  127 4.2.5  调试异常  127 4.2.6  调试状态寄存器  128 4.2.7  示例  129 4.2.8  硬件断点的设置方法  132 4.2.9  归纳  134 4.3  陷阱标志  135 4.3.1  单步执行标志  135 4.3.2  不错语言的单步执行  136 4.3.3  任务状态段陷阱标志  138 4.3.4  按分支单步执行标志  138 4.4  实模式调试器例析  140 4.4.1  Debug.exe  140 4.4.2  8086 Monitor  142 4.4.3  关键实现  143 4.5  反调试示例  145 4.6  ARM架构的断点支持  147 4.6.1  断点指令  148 4.6.2  断点寄存器  149 4.6.3  监视点寄存器  153 4.6.4  单步跟踪  155 4.7  本章小结  156 参考资料  157 第5章  分支记录和性能监视  158 5.1  分支监视概览  159 5.2  使用寄存器的分支记录  159 5.2.1  LBR  160 5.2.2  LBR栈  161 5.2.3  示例  161 5.2.4  在Windows操作系统中的应用  165 5.3  使用内存的分支记录  166 5.3.1  DS区  166 5.3.2  启用DS机制  168 5.3.3  调试控制寄存器  168 5.4  DS示例：CpuWhere  169 5.4.1  驱动程序  170 5.4.2  应用界面  173 5.4.3  2.0版本  175 5.4.4  局限性和扩展建议  178 5.4.5  Linux内核中的BTS驱动  179 5.5  性能监视  180 5.5.1  奔腾处理器的性能监视机制  181 5.5.2  P6处理器的性能监视机制  182 5.5.3  P4处理器的性能监视  183 5.5.4  架构性的性能监视机制  186 5.5.5  酷睿微架构处理器的性能监视机制  187 5.5.6  资源  188 5.6  实时指令追踪  188 5.6.1  工作原理  189 5.6.2  RTIT数据包  190 5.6.3  Linux支持  191 5.7  ARM架构的性能监视设施  192 5.7.1  PMUv1和PMUv2  192 5.7.2  PMUv3  194 5.7.3  示例  194 5.7.4  CoreSight  195 5.8  本章小结  195 参考资料  195 第6章  机器检查架构  196 6.1  奔腾处理器的机器检查机制  196 6.2  MCA  198 6.2.1  概览  198 6.2.2  MCA的全局寄存器  199 6.2.3  MCA的错误报告寄存器  201 6.2.4  扩展的机器检查状态寄存器  202 6.2.5  MCA错误编码  203 6.3  编写MCA软件  205 6.3.1  基本算法  205 6.3.2  示例  207 6.3.3  在Windows系统中的应用  208 6.3.4  在Linux系统中的应用  210 6.4  本章小结  212 参考资料  212 第7章  JTAG调试  213 7.1  简介  213 7.1.1  ICE  213 7.1.2  JTAG  214 7.2  JTAG原理  215 7.2.1  边界扫描链路  215 7.2.2  TAP信号  216 7.2.3  TAP寄存器  217 7.2.4  TAP控制器  217 7.2.5  TAP指令  218 7.3  JTAG应用  219 7.3.1  JTAG调试  220 7.3.2  调试端口  221 7.4  IA处理器的JTAG支持  221 7.4.1  P6处理器的JTAG实现  221 7.4.2  探测模式  223 7.4.3  ITP接口  223 7.4.4  XDP端口  225 7.4.5  ITP-XDP调试仪  226 7.4.6  直接连接接口  226 7.4.7  典型应用  227 7.5  ARM处理器的JTAG支持  227 7.5.1  ARM调试接口  228 7.5.2  调试端口  228 7.5.3  访问端口  229 7.5.4  被调试器件  229 7.5.5  调试接插口  229 7.5.6  硬件调试器  231 7.5.7  DS-5  232 7.6  本章小结  232 参考资料  233 第三篇  GPU及其调试设施 第8章  GPU基础  237 8.1  GPU简史  237 8.1.1  从显卡说起  237 8.1.2  硬件加速  239 8.1.3  可编程和通用化  240 8.1.4  三轮演进  242 8.2  设备身份  243 8.2.1  “喂模式”  243 8.2.2  内存复制  243 8.2.3  超时检测和复位  243 8.2.4  与CPU之并立  243 8.3  软件接口  244 8.3.1  设备寄存器  244 8.3.2  批命令缓冲区  245 8.3.3  状态模型  245 8.4  GPU驱动模型  247 8.4.1  WDDM  247 8.4.2  DRI和DRM  249 8.5  编程技术  250 8.5.1  着色器  250 8.5.2  Brook和CUDA  251 8.5.3  OpenCL  252 8.6  调试设施  252 8.6.1  输出调试信息  253 8.6.2  发布断点  253 8.6.3  其他断点  254 8.6.4  单步执行  254 8.6.5  观察程序状态  254 8.7  本章小结  254 参考资料  255 第9章  Nvidia GPU及其调试设施  256 9.1  概要  256 9.1.1  一套微架构  256 9.1.2  三条产品线  256 9.1.3  封闭  257 9.2  微架构  257 9.2.1  G80（特斯拉1.0微架构）  257 9.2.2  GT200（特斯拉2.0微架构）  259 9.2.3  GF100（费米微架构）  260 9.2.4  GK110（开普勒微架构）  261 9.2.5  GM107（麦斯威尔微架构）  263 9.2.6  GP104（帕斯卡微架构）  263 9.2.7  GV100（伏特微架构）  265 9.2.8  持续改进  267 9.3  硬件指令集  268 9.3.1  SASS  269 9.3.2  指令格式  270 9.3.3  谓词执行  270 9.3.4  计算能力  271 9.3.5  GT200的指令集  271 9.3.6  GV100的指令集  274 9.4  PTX指令集  279 9.4.1  汇编和反汇编  280 9.4.2  状态空间  282 9.4.3  虚拟寄存器  283 9.4.4  数据类型  284 9.4.5  指令格式  284 9.4.6  内嵌汇编  285 9.5  CUDA  286 9.5.1  源于Brook  286 9.5.2  算核  286 9.5.3  执行配置  288 9.5.4  内置变量  290 9.5.5  Warp  291 9.5.6  显式并行  292 9.6  异常和陷阱  293 9.6.1  陷阱指令  293 9.6.2  陷阱后缀  293 9.6.3  陷阱处理  293 9.7  系统调用  296 9.7.1  vprintf  296 9.7.2  malloc和free  297 9.7.3  __assertfail  298 9.8  断点指令  299 9.8.1  PTX的断点指令  299 9.8.2  硬件的断点指令  300 9.9  Nsight的断点功能  301 9.9.1  源代码断点  301 9.9.2  函数断点  301 9.9.3  根据线程组和线程编号设置条件断点  302 9.10  数据断点  304 9.10.1  设置方法  304 9.10.2  命中  304 9.10.3  数量  306 9.10.4  设置时机  306 9.11  调试符号  306 9.11.1  编译选项  306 9.11.2  ELF载体  306 9.11.3  DWARF  307 9.12  CUDA GDB  307 9.12.1  通用命令  307 9.12.2  扩展  308 9.12.3  局限  308 9.13  CUDA调试器API  308 9.13.1  头文件  309 9.13.2  调试事件  309 9.13.3  工作原理  310 9.14  本章小结  312 参考资料  312 第  10章 AMD GPU及其调试设施  314 10.1  演进简史  314 10.1.1  三个发展阶段  314 10.1.2  两种产品形态  315 10.2  Terascale微架构  315 10.2.1  总体结构  315 10.2.2  SIMD核心  317 10.2.3  VLIW  317 10.2.4  四类指令  318 10.3  GCN微架构  318 10.3.1  逻辑结构  319 10.3.2  CU和波阵  319 10.3.3  内存层次结构  321 10.3.4  工作组  321 10.3.5  多执行引擎  323 10.4  GCN指令集  323 10.4.1  7种指令类型  323 10.4.2  指令格式  324 10.4.3  不再是VLIW指令  324 10.4.4  指令手册  324 10.5  编程模型  325 10.5.1  地幔  325 10.5.2  HSA  326 10.5.3  ROCm  326 10.5.4  Stream SDK和APP SDK  327 10.5.5  Linux系统的驱动  327 10.6  异常和陷阱  327 10.6.1  9种异常  328 10.6.2  启用  328 10.6.3  陷阱状态寄存器  328 10.6.4  陷阱处理器基地址  329 10.6.5  陷阱处理过程  329 10.7  控制波阵的调试接口  330 10.7.1  5种操作  330 10.7.2  指定目标  330 10.7.3  发送接口  331 10.7.4    332 10.8  地址监视  332 10.8.1  4种监视模式  332 10.8.2  数量  333 10.8.3  报告命中  333 10.8.4  寄存器接口  333 10.8.5  用户空间接口  333 10.9  单步调试支持  333 10.9.1  单步调试模式  334 10.9.2  控制方法  334 10.10  根据调试条件实现分支跳转的指令  335 10.10.1  两个条件标志  335 10.10.2  4条指令  335 10.11  代码断点  335 10.11.1  陷阱指令  336 10.11.2  在GPU调试SDK中的使用  336 10.12  GPU调试模型和开发套件  337 10.12.1  组成  337 10.12.2  进程内调试模型  337 10.12.3  面向事件的调试接口  339 10.13  ROCm-GDB  340 10.13.1  源代码  340 10.13.2  安装和编译  340 10.13.3  常用命令  340 10.14  本章小结  341 参考资料  342 第  11章 英特尔GPU及其调试设施  343 11.1  演进简史  343 11.1.1  i740  343 11.1.2  集成显卡  344 11.1.3  G965  345 11.1.4  Larabee  345 11.1.5  GPU  346 11.1.6  第三轮努力  347 11.1.7  公开文档  347 11.2  GEN微架构  348 11.2.1  总体架构  349 11.2.2  片区布局  350 11.2.3  子片布局  351 11.2.4  EU  352 11.2.5  经典架构图  353 11.3  寄存器接口  354 11.3.1  两大类寄存器  354 11.3.2  显示功能的寄存器  355 11.4  命令流和环形缓冲区  357 11.4.1  命令  357 11.4.2  环形缓冲区  358 11.4.3  环形缓冲区寄存器  359 11.5  逻辑环上下文和执行列表  360 11.5.1  LRC  360 11.5.2  执行链表提交端口  362 11.5.3  理解LRC的提交和执行过程  362 11.6  GuC和通过GuC提交任务  365 11.6.1  加载固件和启动GuC  365 11.6.2  以MMIO方式通信  366 11.6.3  基于共享内存的命令传递机制  367 11.6.4  提交工作任务  367 11.7  媒体流水线  368 11.7.1  G965的媒体流水线  368 11.7.2  MFX引擎  370 11.7.3  状态模型  370 11.7.4  多种计算方式  371 11.8  EU指令集  372 11.8.1  寄存器  372 11.8.2  寄存器区块  373 11.8.3  指令语法  375 11.8.4  VLIW和指令级别并行  375 11.9  内存管理  377 11.9.1  GGTT  377 11.9.2  PPGTT  378 11.9.3  I915和GMMLIB  379 11.10  异常  379 11.10.1  异常类型  379 11.10.2  系统过程  380 11.11  断点支持  381 11.11.1  调试控制位  381 11.11.2  操作码匹配断点  381 11.11.3  IP匹配断点  381 11.11.4  初始断点  382 11.12  单步执行  382 11.13  GT调试器  382 11.13.1  架构  382 11.13.2  调试事件  384 11.13.3  符号管理  385 11.13.4  主要功能  385 11.13.5  不足  385 11.14  本章小结  386 参考资料  386 第  12章 Mali GPU及其调试设施  387 12.1  概况  387 12.1.1  源于挪威  387 12.1.2  纳入ARM  387 12.1.3  三代微架构  388 12.1.4  发货最多的图形处理器  388 12.1.5  精悍的团队  389 12.1.6  封闭的技术文档  389 12.1.7  单元化设计  389 12.2  Midgard微架构  389 12.2.1  逻辑结构  390 12.2.2  三流水线着色器核心  390 12.2.3  VLIW指令集  392 12.3  Bifrost微架构  393 12.3.1  逻辑结构  393 12.3.2  执行核心  394 12.3.3  标量指令集和Warp  395 12.4  Mali图形调试器  395 12.4.1  双机模式  395 12.4.2  面向帧调试  396 12.5  Gator  396 12.5.1  Gator内核模块（gator.ko）  397 12.5.2  Gator文件系统（gatorfs）  397 12.5.3  Gator后台服务（gatord）  398 12.5.4  Kbase驱动中的gator支持  399 12.5.5  含义  399 12.6  Kbase驱动的调试设施  399 12.6.1  GPU版本报告  399 12.6.2  编译选项  400 12.6.3  DebugFS下的虚拟文件  401 12.6.4  SysFS下的虚拟文件  401 12.6.5  基于ftrace的追踪设施  401 12.6.6  Kbase的追踪设施  402 12.7  其他调试设施  403 12.7.1  Caiman  403 12.7.2  devlib  404 12.7.3  Mali离线编译器  404 12.8  缺少的调试设施  405 12.8.1  GPGPU调试器  405 12.8.2  GPU调试SDK  406 12.8.3  反汇编器  406 12.8.4  ISA文档  406 12.9  本章小结  406 参考资料  406 第  13章 PowerVR GPU及其调试设施  407 13.1  概要  407 13.1.1  发展简史  407 13.1.2  两条产品线  409 13.1.3  基于图块延迟渲染  409 13.1.4  Intel GMA  409 13.1.5  开放性  410 13.2  Rogue微架构  410 13.2.1  总体结构  410 13.2.2  USC  411 13.2.3  ALU流水线  412 13.3  参考指令集  413 13.3.1  寄存器  414 13.3.2  指令组  414 13.3.3  指令修饰符  415 13.3.4  指令类型  415 13.3.5  标量指令  416 13.3.6  并行模式  416 13.4  软件模型和微内核  417 13.4.1  软件模型  417 13.4.2  微内核的主要功能  417 13.4.3  优点  418 13.4.4  存在的问题  418 13.5  断点支持  418 13.5.1  bpret指令  419 13.5.2  数据断点  419 13.5.3  ISP断点  420 13.6  离线编译和反汇编  420 13.6.1  离线编译  420 13.6.2  反汇编  421 13.7  PVR-GDB  421 13.7.1  跟踪调试  421 13.7.2  寄存器访问  422 13.7.3  其他功能  422 13.7.4  全局断点和局限性  422 13.8  本章小结  423 参考资料  423 第  14章 GPU综述  424 14.1  比较  424 14.1.1  开放性  424 14.1.2  工具链  425 14.1.3  开发者文档  425 14.2  主要矛盾  425 14.2.1  专用性和通用性  426 14.2.2  强硬件和弱软件  426 14.3  发展趋势  426 14.3.1  从固定功能单元到通用执行引擎  426 14.3.2  从向量指令到标量指令  427 14.3.3  从指令并行到线程并行  427 14.4  其他GPU  427 14.4.1  Adreno  428 14.4.2  VideoCore  428 14.4.3  图芯GPU  429 14.4.4  TI TMS34010  429 14.5  学习资料和工具  430 14.5.1  文档  430 14.5.2  源代码  430 14.5.3  工具  431 14.6  本章小结  432 参考资料  432 第四篇  可调试性 第  15章 可调试性概览  435 15.1  简介  435 15.2  观止和未雨绸缪  436 15.2.1  NT 3.1的故事  436 15.2.2  未雨绸缪  438 15.3  基本原则  439 15.3.1  最短距离原则  439 15.3.2  最小范围原则  439 15.3.3  立刻终止原则  440 15.3.4  可追溯原则  441 15.3.5  可控制原则  442 15.3.6  可重复原则  442 15.3.7  可观察原则  442 15.3.8  易辨识原则  443 15.3.9  低海森伯效应原则  443 15.4  不可调试代码  444 15.4.1  系统的异常分发函数  444 15.4.2  提供调试功能的系统函数  444 15.4.3  对调试器敏感的函数  445 15.4.4  反跟踪和调试的程序  445 15.4.5  时间敏感的代码  446 15.4.6  应对措施  446 15.5  可调试性例析  446 15.5.1  健康性检查和BSOD  447 15.5.2  可控制性  447 15.5.3  公开的符号文件  448 15.5.4  WER  448 15.5.5  ETW和日志  448 15.5.6  性能计数器  449 15.5.7  内置的内核调试引擎  449 15.5.8  手动触发崩溃  449 15.6  与安全、商业秘密和性能的关系  449 15.6.1  可调试性与安全性  450 15.6.2  可调试性与商业秘密  450 15.6.3  可调试性与性能  450 15.7  本章小结  450 参考资料  451 第  16章 可调试性的实现  452 16.1  角色和职责  452 16.1.1  架构师  452 16.1.2  程序员  453 16.1.3  测试人员  453 16.1.4  产品维护和技术支持工程师  454 16.1.5  管理者  454 16.2  可调试架构  455 16.2.1  日志  455 16.2.2  输出调试信息  456 16.2.3  转储  457 16.2.4  基类  458 16.2.5  调试模型  458 16.3  通过栈回溯实现可追溯性  459 16.3.1  栈回溯的基本原理  459 16.3.2  利用DbgHelp函数库回溯栈  461 16.3.3  利用RTL函数回溯栈  465 16.4  数据的可追溯性  466 16.4.1  基于数据断点的方法  466 16.4.2  使用对象封装技术来追踪数据变化  471 16.5  可观察性的实现  472 16.5.1  状态查询  472 16.5.2  WMI  473 16.5.3  性能计数器  475 16.5.4  转储  478 16.5.5  打印或者输出调试信息  479 16.5.6  日志  480 16.6  自检和自动报告  480 16.6.1  BIST  480 16.6.2  软件自检  481 16.6.3  自动报告  482 16.7  本章小结  482 参考资料  483