软件调试基础（四【断点和单步执行】4.4【实模式调试器例析】）

4.4.1 Debug.exe - DOS经典调试器

基本概况

特性	说明
起源	DOS操作系统自带调试工具
大小	DOS 6.22版本：15718字节
运行环境	实模式DOS或Windows兼容模式
位置	Windows系统中位于system32目录
启动方式	命令行输入`debug`

主要功能特点

体积小巧但功能全面
支持实模式下的完整调试功能
在Windows系统中仍保留兼容性
适合学习和实验8086/8088汇编

Debug.exe命令列表（清单4-9）

命令	功能描述	语法示例	说明
A	汇编命令	`A [地址]`	将汇编语句翻译为机器码写入内存
C	比较内存块	`C 范围地址`	比较两个内存块的内容
D	显示内存	`D [范围]`	显示内存内容（十六进制和ASCII）
E	编辑内存	`E 地址 [列表]`	编辑内存内容
F	填充内存	`F 范围列表`	用指定值填充内存区域
G	执行程序	`G [=地址] [地址...]`	执行程序，可设多个断点
H	十六进制运算	`H 值1 值2`	计算两个十六进制数的和与差
I	输入端口	`I 端口号`	从I/O端口读取数据
L	加载程序/扇区	`L [地址]`	加载文件或磁盘扇区到内存
M	移动内存块	`M 范围地址`	复制内存块到指定地址
N	指定文件名	`N 文件名`	为L/W命令指定文件名
O	输出端口	`O 端口号字节`	向I/O端口输出数据
P	步过程序	`P [=地址] [值]`	执行程序、子程序或循环
Q	退出调试器	`Q`	退出Debug程序
R	显示/修改寄存器	`R [寄存器名]`	显示或修改寄存器内容
S	搜索内存	`S 范围列表`	在内存中搜索指定字节序列
T	单步执行	`T [=地址] [值]`	单步执行一条或多条指令
U	反汇编	`U [范围]`	将内存内容反汇编为指令
W	写文件/扇区	`W [地址]`	将内存内容写入文件或扇区

特殊说明：

X系列命令：用于扩展内存操作
命令不区分大小写
输入?可显示命令帮助

Debug.exe典型使用场景

场景1：调试可执行程序

bash 复制代码

bash

# 启动Debug并加载程序
debug program.com

# 或先启动Debug再加载
debug
N program.com
L

场景2：调试磁盘扇区

bash 复制代码

bash

# 调试主引导扇区（MBR）
debug
L 100 0 0 1    # 从驱动器0读取0扇区到地址100
U 100          # 反汇编查看

场景3：学习和实验汇编

bash 复制代码

bash

# 直接编写和运行汇编代码
debug
A 100          # 从地址100开始汇编
MOV AX, 1234   # 输入汇编指令
INT 20         # DOS退出调用
               # 空行结束汇编

G =100         # 从地址100执行

4.4.2 8086 Monitor - Debug的前身

基本概况

特性	说明
开发者	Tim Paterson（DOS之父）
开发时间	1979-1980年
运行平台	SCP公司的8086 CPU板
历史意义	DOS Debug程序的先驱

8086 Monitor命令表（1.4A版本）

命令	功能	说明
B <地址>	启动	读取磁盘0道0扇区到内存并执行
D <地址>/<范围>	显示内存	显示指定内存内容
E <地址> <列表>	编辑内存	编辑内存内容
F <地址> <列表>	填充内存	用指定值填充内存区域
G <地址>...<地址>	执行并设断点	设置断点并执行程序
I <HEX4>	输入端口	从I/O端口读取数据
M <范围> <地址>	移动内存	复制内存块
O <HEX4> <字节>	输出端口	向I/O端口输出数据
R [寄存器名]	寄存器操作	读取或修改寄存器
S <范围> <列表>	搜索内存	在内存中搜索指定值
T [HEX4]	单步执行	单步执行一条或多条指令

历史意义

开发背景：在没有现成调试工具的时代，使用示波器观察CPU信号
技术积累：为Tim Paterson开发DOS打下坚实基础
影响：Windows NT开发团队也采用了类似策略（先开发KD调试器）

4.4.3 关键实现原理

实模式调试环境特点

特点	说明	对调试的影响
单任务环境	只有调试器和被调试程序运行	可直接访问所有内存
共享地址空间	调试器和被调试程序在同一物理地址空间	无需地址转换
直接内存访问	调试器可直接读写被调试程序内存	简化内存操作命令
中断向量表直接操作	可修改中断向量表	直接设置异常处理程序

内存布局示例（8086 Monitor）

text

复制代码

高地址
+----------------+
| 8086 Monitor   | ← 0xFF80开始
| (调试器代码)   |
+----------------+
|                |
| 可用内存空间   |
|                |
+----------------+
| 被调试程序     | ← 低端内存
|                |
+----------------+
低地址

中断向量设置

8086 Monitor设置的中断处理程序：

中断号	地址范围	用途	处理程序入口
INT 1	0x0004-0x0007	单步异常处理	REENTER
INT 3	0x000C-0x000F	断点异常处理	BREAKFIX→REENTER
INT 19H	0x0064-0x0067	串口通信接收	REENTER

断点处理详细流程

1. 初始化阶段

cpp 复制代码

assembly

; 8086 Monitor初始化代码
初始化:
    ; 设置中断向量表
    MOV WORD PTR [0x000C], BREAKFIX    ; INT 3处理程序偏移
    MOV WORD PTR [0x000E], CS          ; INT 3处理程序段
    MOV WORD PTR [0x0004], REENTER     ; INT 1处理程序
    MOV WORD PTR [0x0006], CS
    MOV WORD PTR [0x0064], REENTER     ; INT 19H处理程序
    MOV WORD PTR [0x0066], CS

2. 断点命中处理

cpp 复制代码

assembly

; BREAKFIX: INT 3处理程序入口
BREAKFIX:
    XCHG SP, BP        ; 交换SP和BP，BP指向栈顶
    DEC WORD PTR [BP]  ; 将栈顶的IP值减1
    XCHG SP, BP        ; 恢复SP和BP
    
    ; 此时IP已调整为指向INT 3指令本身
    ; 继续执行到共享的异常处理代码

; REENTER: 共享的异常处理入口
REENTER:
    ; 保存寄存器到变量区
    MOV [SPSAVE], SP
    MOV [DSSAVE], DS
    ; ... 保存其他寄存器
    
    ; 显示寄存器值
    CALL CRLF         ; 换行
    CALL DISPREG      ; 显示寄存器
    
    ; 检查单步计数
    DEC TCOUNT        ; 单步计数器减1
    JNZ STEP1         ; 如果不为0，继续单步
    
    ; 检查断点计数
    CMP BRKCNT, 0     ; 比较断点计数器
    JG CLEANBP        ; 如果>0，跳转到清除断点
    JMP COMMAND       ; 否则跳转到命令等待

3. 断点设置流程（G命令）

cpp 复制代码

assembly

; G命令处理流程
处理_G命令:
    ; 解析地址参数（最多10个）
    ; 对每个断点地址：
    1. 保存到断点表
    2. 读取原字节保存到备份表
    3. 写入0xCC（INT 3指令）
    
    ; 设置单步计数器
    MOV TCOUNT, 1
    
    ; 跳转到异常返回代码
    JMP EXIT

4. 异常返回与恢复执行

cpp 复制代码

assembly

; EXIT: 异常返回代码
EXIT:
    ; 恢复栈指针
    MOV SP, [SPSAVE]
    
    ; 将保存的寄存器值压栈（用于IRET）
    PUSH [FSAVE]    ; 标志寄存器
    PUSH [CSSAVE]   ; 代码段寄存器
    PUSH [IPSAVE]   ; 指令指针
    
    ; 恢复数据段寄存器
    MOV DS, [DSSAVE]
    
    ; 中断返回，恢复执行
    IRET

关键变量说明

变量名	作用	对应寄存器
SPSAVE	保存栈指针	SP
DSSAVE	保存数据段	DS
FSAVE	保存标志寄存器	FLAGS
CSSAVE	保存代码段	CS
IPSAVE	保存指令指针	IP
TCOUNT	单步执行计数器	-
BRKCNT	断点个数计数器	-

调试器核心机制

1. 断点实现原理

cpp 复制代码

// 断点设置伪代码
void SetBreakpoint(address) {
    // 1. 保存原指令字节
    original_byte = ReadMemory(address);
    backup_table[address] = original_byte;
    
    // 2. 写入INT 3指令
    WriteMemory(address, 0xCC);
    
    // 3. 更新断点计数
    breakpoint_count++;
}

// 断点清除伪代码
void ClearBreakpoints() {
    for (each breakpoint in breakpoint_table) {
        // 恢复原指令字节
        WriteMemory(breakpoint.address, 
                   backup_table[breakpoint.address]);
    }
    breakpoint_count = 0;
}

2. 单步执行实现

cpp 复制代码

// 单步执行实现
void SingleStep() {
    // 设置TF标志（单步陷阱）
    saved_flags = ReadFlags();
    saved_flags |= 0x0100;  // 设置TF位（第8位）
    WriteFlags(saved_flags);
    
    // 恢复执行（会立即触发单步异常）
    ResumeExecution();
}

3. 修改执行流程

cpp 复制代码

// 修改IP实现"跳转"
void JumpToAddress(address) {
    // 修改保存的IP值
    IPSAVE = address;
    
    // 下次恢复执行时会从新地址开始
    // 因为IRET会从栈中加载CS:IP
}

实模式调试器实操指南

Debug.exe基本操作流程

步骤1：启动和加载程序

bash

复制代码

# 方法1：直接加载程序
debug program.com

# 方法2：先启动后加载
debug
N program.com    # 指定文件名
L               # 加载程序

步骤2：查看和修改内存

bash

复制代码

# 查看内存内容（从地址100开始）
D 100

# 编辑内存（从地址200开始）
E 200
# 依次输入要修改的字节值

# 填充内存（用FF填充100-1FF区域）
F 100 200 FF

步骤3：设置和执行断点

bash

复制代码

# 从地址100开始执行，在150、200设断点
G =100 150 200

# 单步执行（从当前地址执行一条指令）
T

# 执行多步（从地址100执行10条指令）
T =100 10

步骤4：查看和修改寄存器

bash

复制代码

# 查看所有寄存器
R

# 修改AX寄存器
R AX
# 显示当前值并提示输入新值

步骤5：汇编和反汇编

bash

复制代码

# 从地址100开始反汇编
U 100

# 从地址200开始编写汇编代码
A 200
MOV AX, 1234
INT 20
# 空行结束汇编

8086 Monitor调试会话示例

text

复制代码

监控器启动... 显示提示符 *

* D 0:7C00          ; 显示主引导扇区内容
* A 100             ; 从地址100开始汇编
  MOV AX, 1234
  INT 3             ; 设置断点
  RET
* G =100            ; 从100执行，遇到INT 3中断
显示寄存器状态...

* R IP              ; 查看IP寄存器
IP=0103
* R IP=100          ; 修改IP返回100
* T                 ; 单步执行
显示寄存器变化...

* Q                 ; 退出

与现代调试环境的对比

特性	实模式调试器	现代保护模式调试器
内存访问	直接物理内存访问	通过操作系统API访问
地址空间	共享地址空间	独立地址空间
断点设置	直接写入INT 3指令	通过调试API或硬件断点
权限要求	无特别权限要求	需要调试权限
多任务支持	不支持	支持多进程/线程调试
符号支持	无符号调试	支持符号文件（PDB）

学习要点总结

1. 实模式调试的核心特点

直接性：调试器可直接操作所有系统资源
简单性：无需操作系统复杂的调试支持
教育价值：适合学习CPU和调试的基本原理

2. 关键实现技术

中断向量劫持：通过修改中断向量表接管异常处理
指令替换：用INT 3替换原指令实现软件断点
上下文保存：通过变量保存和恢复寄存器状态
标志位操作：通过TF标志实现单步执行

3. 历史意义

8086 Monitor为DOS开发奠定了基础
Debug.exe影响了一代程序员的调试习惯
实模式调试思想在现代调试器中仍有体现

4. 现代应用价值

学习计算机系统原理的优秀工具
嵌入式系统调试的简化模型
理解现代调试器工作原理的基础