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0if (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_SIZEfor (;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_FTRACEparse_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() {1extern 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 elfshdrassert(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

1. e_ident:魔数和文件类型标识
2. e_shnum:头节表项大小和数量
3. 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。