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bugfix: Qemu 运行 ARM Linux 5.0 必现启动死机

Wu Zhangjin 创作于 2019/05/16

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By Falcon of TinyLab.org May 14, 2019

注:泰晓科技新增 Debugging+Tracing 专辑,全面连载各类 debug 实战技能。本文是该专辑的第一篇,欢迎持续关注。通过该专辑,您可以学习到分析和解决实际问题的方式、方法、工具和技巧。

背景介绍

前段时间为 Linux Lab 新增了 5.0.10 for ARM64/virt board,期间遇到了启动死机问题,本文对该问题进行详解。

在继续阅读之前,建议准备好 Linux Lab,方便同时做实验。为复现该问题,请先注释掉 boards/virt/Makefile 中的 QEMU 所在行,或者键入如下命令确保使用旧版本的 qemu。

$ export QEMU=

问题现象

编译完 Linux 5.0.10 并通过 Linux Lab 运行时:

$ make BOARD=virt
$ make boot V=1

直接卡死了,只看到 Qemu 的输出日志,没有看到任何内核日志输出 ;-(

分析过程

理清问题基本信息

首先需要承认,面对这种不按套路出牌的 Linux 启动状况(不确定性),这个时候谁都可能“惶恐不安”。接着告诉自己,问题必须解决,冷静!

有两个信息先捋一下:

  • 之前的 Linux v4.5.5 ok,启动完美
  • 网上已经有同学完美启动了 5.0 for ARM64

所以,问题可能原因:

  • Linux v5.0.10 相比 v4.5.5 有变更引入了衰退
  • Linux Lab 所使用的环境跟网上其他同学的环境有差异,可能差异在编译器和 Qemu。

接下来有两个思路:

  • 用二分法找出引入问题的变更,即从 v4.5.5 到 v5.0.10 之间找出第一个启动不了的内核版本
  • 升级 Linux Lab 中的编译器和 Qemu 到最新版本

可是,虽然这两个工作都可行,但还都蛮耗费时间(第2个相对而言没那么耗时),所以,不能逃避,正面扛着看看!

定下分析方式

ok,先保持内核版本不变、环境不变,正面分析到底 Linux 内核卡死在哪里?!

打开 early Logging 机制

竟然内核什么都没有输出,那么先想办法输出点东西。

死得这么早,可能是普通串口初始化之前就挂了,要在这之前就打印东西,能想到是 early printk:

$ make boot V=1 XKCLI="earlycon"

earlycon 是内核最新的 early printk 逻辑,说明文档在 linux-stable/Documentation/admin-guide/kernel-parameters.txt:

earlycon=  [KNL] Output early console device and options.

[ARM64] The early console is determined by the stdout-path property in device tree's chosen node, or determined by the ACPI SPCR table.

[X86] When used with no options the early console is determined by the ACPI SPCR table.

加上以后,很幸运,有东西咕噜咕噜滚出来了:

$ make boot V=1 XKCLI=earlycon
make  _boot
make[1]: Entering directory `/labs/linux-lab'
sudo qemu-system-aarch64  -M virt -m 128M -net nic,model=virtio -net tap -device virtio-net-device,netdev=net0,mac=c0:2f:fd:e8:dc:ce -netdev tap,id=net0 -smp 2 -cpu cortex-a57 -kernel /labs/linux-lab/output/aarch64/linux-v5.0.10-virt/arch/arm64/boot/Image -no-reboot  -initrd /labs/linux-lab/prebuilt/root/aarch64/cortex-a57/rootfs.cpio.gz -append 'route=172.17.0.5 root=/dev/ram0 earlycon console=ttyAMA0' -nographic
...
Booting Linux on physical CPU 0x0000000000 [0x411fd070]
Linux version 5.0.10-dirty (ubuntu@5016aaa36868) (gcc version 4.9.3 20150413 (prerelease) (Linaro GCC 4.9-2015.05)) #6 SMP Sun May 5 06:42:26 UTC 2019
Machine model: linux,dummy-virt
earlycon: pl11 at MMIO 0x0000000009000000 (options '')
printk: bootconsole [pl11] enabled
...
------------[ cut here ]------------
kernel BUG at /labs/linux-lab/linux-stable/arch/arm64/kernel/traps.c:425!
Internal error: Oops - BUG: 0 [#1] SMP
Modules linked in:
Process swapper (pid: 0, stack limit = 0x(____ptrval____))
CPU: 0 PID: 0 Comm: swapper Not tainted 5.0.10-dirty #37
Hardware name: linux,dummy-virt (DT)
pstate: 00000085 (nzcv daIf -PAN -UAO)
pc : do_undefinstr+0x280/0x2c0
lr : do_undefinstr+0x168/0x2c0
...
Call trace:
 do_undefinstr+0x280/0x2c0
 el1_undef+0x10/0x78
 __cpuinfo_store_cpu+0x80/0x1d0
 cpuinfo_store_boot_cpu+0x28/0x54
 smp_prepare_boot_cpu+0x38/0x40
 start_kernel+0x170/0x450
Code: 2a154035 17ffffb5 a9025bb5 f9001bb7 (d4210000)
---[ end trace 16cff5c8dd5a6423 ]---
Kernel panic - not syncing: Attempted to kill the idle task!
---[ end Kernel panic - not syncing: Attempted to kill the idle task! ]---

出错 Log 分析

出错日志有非常关键的 Calltrace 信息,初一看,发现是 undefinstr 异常,并且有触发异常的具体位置:

__cpuinfo_store_cpu+0x80/0x1e4

通过如下命令找到代码所在文件:

$ cd linux-stable
$ grep __cpuinfo_store_cpu -nur arch/arm64/
arch/arm64/kernel/cpuinfo.c:328:static void __cpuinfo_store_cpu(struct cpuinfo_arm64 *info)
arch/arm64/kernel/cpuinfo.c:386:	__cpuinfo_store_cpu(info);
arch/arm64/kernel/cpuinfo.c:393:	__cpuinfo_store_cpu(info);

打开代码初步查看如下:

$ vim arch/arm64/kernel/cpuinfo.c +328
info->reg_cntfrq = arch_timer_get_cntfrq();
...
info->reg_id_aa64mmfr0 = read_cpuid(ID_AA64MMFR0_EL1);
info->reg_id_aa64mmfr1 = read_cpuid(ID_AA64MMFR1_EL1);
info->reg_id_aa64mmfr2 = read_cpuid(ID_AA64MMFR2_EL1);
info->reg_id_aa64pfr0 = read_cpuid(ID_AA64PFR0_EL1);
info->reg_id_aa64pfr1 = read_cpuid(ID_AA64PFR1_EL1);
info->reg_id_aa64zfr0 = read_cpuid(ID_AA64ZFR0_EL1);

初步猜测,可能是部分寄存器访问出错,但是具体哪一个错了还需要进一步确认。

定位代码出错位置

接下来需要通过 Backtrace 中的 __cpuinfo_store_cpu+0x80 找到准确的出错位置,也就是代码行。

这个寻找过程我们很早有专门的文章介绍,可以查阅:如何快速定位 Linux Panic 出错的代码行

方法有几种,但是实际发现用 objdump 最为准确,gdb 在这个例子里有一行的偏差。

在这之前,必须确保 vmlinux 是带符号的,否则这些工具没法帮我们定位出错文件和代码行。要让 vmlinux 带符号,必须在 boards/virt/linux_v5.0.10_defconfig 中开启如下配置后重新编译内核:

CONFIG_DEBUG_KERNEL=y
CONFIG_DEBUG_INFO=y
CONFIG_KALLSYMS=y

重新配置和编译内核:

$ make kernel-defconfig
$ make kernel

接下来,回到 Linux Lab 主目录,开始定位问题所在的代码行。先得请 nm 帮找出 __cpuinfo_store_cpu 的地址:

$ aarch64-linux-gnu-nm output/aarch64/linux-v5.0.10-virt/vmlinux | grep __cpuinfo_store_cpu
ffffff80100919c0 t __cpuinfo_store_cpu

同时根据异常日志中的 “__cpuinfo_store_cpu+0x80/0x1d0” 计算出 start-address 和 stop-address,0x80 为出错位置,0x1d0 为函数 size,我们找出这个范围。

$ echo "obase=16;ibase=10;$((0x80100919c0+0x80))" | bc -l
8010091A40
$ echo "obase=16;ibase=10;$((0x80100919c0+0x1d0))" | bc -l
8010091B90

接着,请出 objdump 这尊大神,start-address 设置为函数入口,stop-address 设置为

$ aarch64-linux-gnu-objdump -dS output/aarch64/linux-v5.0.10-virt/vmlinux --start-address=0xffffff80100919c0 --stop-address=0xffffff8010091b90
...
   	info->reg_id_aa64mmfr1 = read_cpuid(ID_AA64MMFR1_EL1);
ffffff8010091a3c:	f901ba60 	str	x0, [x19, #880]
ffffff8010091a40:	d5380740 	mrs	x0, id_aa64mmfr2_el1
info->reg_id_aa64mmfr2 = read_cpuid(ID_AA64MMFR2_EL1);
ffffff8010091a44:	f901be60 	str	x0, [x19, #888]
ffffff8010091a48:	d5380400 	mrs	x0, id_aa64pfr0_el1
info->reg_id_aa64pfr0 = read_cpuid(ID_AA64PFR0_EL1);
...

找到 “ffffff8010091a40” 所在行:

ffffff8010091a40:	d5380740 	mrs	x0, id_aa64mmfr2_el1
info->reg_id_aa64mmfr2 = read_cpuid(ID_AA64MMFR2_EL1);

分析出错原因

看上去像是该寄存器访问异常。用 vim 打开注释掉该行并重新编译,重新启动,发现继续出错:

Call trace:
 do_undefinstr+0x280/0x2c0
 el1_undef+0x10/0x78
 __cpuinfo_store_cpu+0x90/0x1c8
 cpuinfo_store_boot_cpu+0x28/0x54
 smp_prepare_boot_cpu+0x38/0x40
 start_kernel+0x170/0x450

代码偏移为 0x90,出错位置为:0xffffff8010091b50,同样计算 start-address:0xffffff80100919c0 和 stop-address:0xffffff8010091b88,用 objdump 找到如下位置:

$ aarch64-linux-gnu-objdump -dS output/aarch64/linux-v5.0.10-virt/vmlinux --start-address=0xffffff80100919c0 --stop-address=0xffffff8010091b88
...
ffffff8010091a48:	d5380422 	mrs	x2, id_aa64pfr1_el1
	info->reg_id_aa64pfr1 = read_cpuid(ID_AA64PFR1_EL1);
ffffff8010091a4c:	f901c662 	str	x2, [x19, #904]
ffffff8010091a50:	d5380482 	mrs	x2, id_aa64zfr0_el1
	info->reg_id_aa64zfr0 = read_cpuid(ID_AA64ZFR0_EL1);
ffffff8010091a54:	f901ca62 	str	x2, [x19, #912]

出错位置的代码如下:

ffffff8010091a50:	d5380482 	mrs	x2, id_aa64zfr0_el1
	info->reg_id_aa64zfr0 = read_cpuid(ID_AA64ZFR0_EL1);

验证解决方法可行性

同样注释掉这部分,重新编译之后就可以正常启动了。需做修改如下:

$ cd linux-stable
$ git diff
-	info->reg_id_aa64mmfr2 = read_cpuid(ID_AA64MMFR2_EL1);
+	//info->reg_id_aa64mmfr2 = read_cpuid(ID_AA64MMFR2_EL1);
...
-	info->reg_id_aa64zfr0 = read_cpuid(ID_AA64ZFR0_EL1);
+	//info->reg_id_aa64zfr0 = read_cpuid(ID_AA64ZFR0_EL1);

启动日志如下:

..
Welcome to Linux Lab
linux-lab login: root
#
# uname -a
Linux linux-lab 5.0.10-dirty #39 SMP Sun May 5 13:00:38 UTC 2019 aarch64 GNU/Linux

至此,临时解决方案 ok。已经把上面两笔内核的修改制作成了 patch,并放到了boards/virt/patch/linux/v5.0/ 下,另外,在 boards/virt/Makefile 中配置了 “KP=1”,后续配置时会据此自动打 patch,打上后再编译就可启动了。

问题复盘

正面分析发现是 Linux 内核代码中有相关寄存器的操作引起了 undefinstr,这部分寄存器官方内核是支持的,说明真实硬件没有问题,所以需要继续看看运行环境部分,也就是这里的 Qemu 模拟器,很大可能是 Qemu 版本问题。

之前 Linux Lab 自带版本是 2.5:

$ qemu-system-aarch64 --version
QEMU emulator version 2.5.0 (Debian 1:2.5+dfsg-5ubuntu4), Copyright (c) 2003-2008 Fabrice Bellard

所以接下来要升级 Qemu 版本,由于未能找到编译好的 Qemu 版本,我们自行编译,并且给 Linux Lab 添加了 Qemu 编译支持,这里不做介绍。

编译完一个新的 v2.12.0 以后测试发现,可以直接正常启动不做改动的 Linux 5.0.10,所以证实了我们的猜测。

$ prebuilt/qemu/aarch64/v2.12.0/bin/qemu-system-aarch64 --version
QEMU emulator version 2.12.0
Copyright (c) 2003-2017 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

小结

本文详细介绍了一个典型的 Linux 内核死机问题。在实际产品研发过程中,死机问题会千奇百怪,死机路径可能随机变化,死机概率也因使用环境有高有低,所以,一方面要不断积累解决问题的技术经验,另外一方面尤其重要的是,沉着冷静,在面对类似难题时,坚定解决问题的信心。

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