书名：软件调试 第2版 卷1 硬件基础
定价：118.0
ISBN：9787115492500
作者：张银奎
出版时间：2018-11
内容提要：
本书堪称是软件调试的“百科全书”。作者围绕软件调试的“生态”系统（ecosystem）、异常（exception）和调试器 3 条主线，介绍软件调试的相关原理和机制，探讨可调试性（debuggability）的内涵、意义以及实现软件可调试性的原则和方法，总结软件调试的方法和技巧。 *1卷主要围绕硬件技术展开介绍。全书分为4篇，共16章。*一篇“绪论”（*1章），介绍了软件调试的概念、基本过程、分类和简要历史，并综述了本书后面将详细介绍的主要调试技术。*二篇“CPU及其调试设施”（*2～7章），以英特尔和ARM架构的CPU为例系统描述了CPU的调试支持。第三篇“GPU及其调试设施”（第8～14章），深入探讨了Nvidia、AMD、英特尔、ARM和Imagination 这五大厂商的GPU。第四篇“可调试性”（*15～16章），介绍了提高软件可调试性的意义、基本原则、实例和需要注意的问题，并讨论了如何在软件开发实践中实现可调试性。 本书理论与实践紧密结合，既涵盖了相关的技术背景知识，又针对大量具有代表性和普遍意义的技术细节进行了讨论，是学习软件调试技术的宝贵资料。本书适合所有从事软件开发工作的读者阅读，特别适合从事软件开发、测试、支持的技术人员，从事反病毒、网络安全、版权保护等工作的技术人员，以及高等院校相关专业的教师和学生学习参考。

作者简介：
张银奎，国内知名的调试技术专家。毕业于上海交通大学信息与控制工程系，长期从事软件开发和研究工作，曾在英特尔工作13 年，对 IA-32 架构、操作系统内核、驱动程序，尤其是对软件调试有较深入的研究。著有《软件调试》《格蠹汇编》等畅销、常销技术图书， 格蠹科技（xedge.ai） 创始人，高端调试网站（advdbg.org）创建者。翻译（合译）作品有《二十一世纪机器人》《观止——微软创建NT和未来的夺命狂奔》《数据挖掘原理》《机器学习》《人工智能：复杂问题求解的结构和策略》等。

目录：
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

*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　*级语言的单步执行　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　数量限制　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　限制　332
10.8　地址监视　332
10.8.1　4种监视模式　332
10.8.2　数量限制　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*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　*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　*短距离原则　439
15.3.2　*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