如何调试 Linux 驱动程序？

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如何调试 Linux 驱动程序？

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调试Linux驱动程序是内核开发中的重要环节，需要结合内核特性、调试工具和驱动特性进行针对性处理。以下是常用的调试方法和工具链：

一、基础调试手段

1. 打印调试（printk）
   最常用的基础调试方式，通过内核打印函数输出信息：

   // 不同日志级别（优先级从高到低）
   printk(KERN_EMERG "紧急错误\n");   // 系统不可用
   printk(KERN_ALERT "必须立即处理\n");
   printk(KERN_CRIT "严重情况\n");
   printk(KERN_ERR "错误信息\n");
   printk(KERN_WARNING "警告信息\n");
   printk(KERN_NOTICE "正常但重要的信息\n");
   printk(KERN_INFO "提示信息\n");
   printk(KERN_DEBUG "调试信息\n");   // 默认不显示，需配置内核日志级别
   

   • 查看打印：dmesg 或 cat /var/log/kern.log
   • 动态调整日志级别：echo 8 > /proc/sys/kernel/printk（显示所有级别）

2. 内核恐慌（Kernel Panic）分析
   驱动崩溃可能导致内核恐慌，可通过以下方式定位：

   • 开启内核调试符号：编译内核时配置 CONFIG_DEBUG_INFO=y
   • 分析恐慌日志：包含崩溃函数调用栈（如 Call Trace），可结合 addr2line 转换地址为代码行：

     addr2line -e vmlinux 0xffffffff81234567  # vmlinux为带符号的内核镜像
     

二、动态调试工具

1. GDB 远程调试
   通过 qemu 或硬件调试器（如 J-Link）实现内核/驱动的断点调试：

   • 编译内核时开启 CONFIG_DEBUG_INFO=y 和 CONFIG_DEBUG_KERNEL=y
   • 启动调试环境：

     # 目标机启动时添加内核参数
     kgdboc=ttyS0,115200  # 串口调试
     # 主机连接
     gdb vmlinux
     (gdb) target remote /dev/ttyS0  # 连接目标机串口
     (gdb) break driver_function  # 设置断点
     (gdb) c  # 继续执行
     

2. ftrace 跟踪函数调用
   用于跟踪驱动函数的调用流程、耗时等，无需修改代码：

   • 启用 ftrace：

     mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug
     echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
     echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
     

   • 执行驱动操作后查看跟踪日志：

     cat /sys/kernel/debug/tracing/trace
     

   • 可过滤特定函数：echo my_driver_func > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter

3. kprobe 动态钩子
   无需重新编译内核，在运行时对函数设置钩子，捕获参数和返回值：

   # 安装kprobe工具（如systemtap或bpftrace）
   bpftrace -e 'kprobe:my_driver_func { printf("args: %x\n", arg0); }'
   

三、内存与资源调试

1. 内存泄漏检测

   • kmalloc/kfree 不匹配是常见问题，可使用：
     • slub_debug：内核参数添加 slub_debug=UZ，启用 slab 分配器调试，检测重复释放、越界等。
     • kmemleak：内核配置 CONFIG_DEBUG_KMEMLEAK=y，通过 echo scan > /sys/kernel/debug/kmemleak 触发扫描，查看 /sys/kernel/debug/kmemleak 报告泄漏点。

2. 资源竞争与死锁

   • 自旋锁、互斥体使用不当可能导致死锁，可通过：
     • lockdep：内核配置 CONFIG_LOCKDEP=y，启用后会在死锁发生时输出详细的锁依赖关系日志。
     • watchdog：内核 watchdog 机制会在系统无响应时触发重启，日志中会包含死锁前的调用栈。

四、设备与硬件交互调试

1. 查看设备树与硬件信息

   • 驱动常依赖设备树（Device Tree），检查设备节点是否正确：

     ls /proc/device-tree/  # 查看设备树节点
     lspci/lsusb  # 查看PCI/USB设备信息
     

2. 寄存器与I/O调试

   • 直接读写硬件寄存器（需注意权限和安全性）：

     devmem 0x12345678  # 读取物理地址0x12345678的寄存器值
     devmem 0x12345678 w 0x1234  # 写入值0x1234
     

五、实用工具汇总

工具/方法	用途	适用场景
printk	输出调试信息	简单流程跟踪、变量值查看
gdb + kgdb	断点调试、调用栈分析	复杂逻辑调试
ftrace	函数调用跟踪、耗时统计	性能瓶颈分析、流程梳理
kmemleak	内存泄漏检测	长期运行的驱动稳定性测试
lockdep	锁竞争与死锁检测	多线程/中断上下文的同步问题
bpftrace	动态追踪内核函数参数与返回值	无需修改代码的临时调试

六、调试原则

1. 从用户态到内核态：先通过 strace 查看用户态程序调用驱动的系统调用是否正常，再深入内核调试。
2. 最小化测试用例：简化驱动代码，只保留触发问题的核心逻辑，排除无关干扰。
3. 利用内核配置：开启 CONFIG_DEBUG_FS、CONFIG_DEBUG_KERNEL 等调试选项，增强内核自检能力。

根据驱动类型（字符设备、块设备、网络设备等）和具体问题（崩溃、性能、功能异常），选择合适的工具组合可大幅提高调试效率。