linux0.11源码内核——系统调用，int80的实现细节

linux0.11添加系统调用的步骤

假设添加一个系统调用foo()

1.修改include/linux/sys.h

　　添加声明

extern int foo();

　　同时在sys_call_table数组的最后添加一个元素

...，sys_foo

2.修改include/unistd.h

　　增加一个调用号宏

#define __NR_iam     72

　　再声明供用户调用的函数

int foo();

3.修改kernel/sys_call.s:

　　增加调用个数

nr_system_calls = 

4.新增文件kernel/foo.c,里面包含foo函数，实现系统调用

5.修改kernel/Makefile

　　补充和foo.c相关的规则

OBJS  = ... who.o
......
### Dependencies:
foo.s foo.o: foo.c ../include/unistd.h \
  ../include/asm/segment.h ../include/errno.h
......

到此为止代码的修改已经完成了，下面就是进行make重新生成os镜像:

　　到linux-0.11目录下make一次计可，生成的Image就可以作为新系统来驱动计算机了

然后需要挂载hdc，把修改过的sys.h和unistd.h覆盖hdc里面那个系统的usr/include/unistd.h和ust/include/linux/sys.h,最后卸载hdc

然后在oslab里运行./run启动新系统，在里面编写测试文件进行测试新的系统调用就可以啦！

　　

系统调用：系统库中为系统调用编写了许多接口函数(API)，不同的API对应了不同的真正的（OS内核中）系统调用

系统调用的三个基本步骤：

　　1.把系统调用编号存到 寄存器eax中

　　2.把函数参数传到其他通用寄存器中：第一个参数：ebx，第二个：ecx ...

　　3.触发0x80号中断

在内核加载完毕，切换到用户模式下时，会做一些初始化工作(如main.c里一大堆_init()函数)，最后一步启动shell，

用户在shell中可以进行进程调度

　　

int 0x80的触发过程和实现细节

1.一些宏定义和头文件include/unistd,h的细节

先看一个系统调用close()的API

#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>

_syscall1(int, close, int, fd)

_syscall1是个宏，在include/unistd.h中定义

#define _syscall1(type,name,atype,a) \
type name(atype a) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
    : "=a" (__res) \
    : "" (__NR_##name),"b" ((long)(a))); \
if (__res >= ) \
    return (type) __res; \
errno = -__res; \
return -; \
}

close()用该宏展开后就是

int close(int fd)
{
    long __res;
    __asm__ volatile ("int $0x80"
        : "=a" (__res)
        : "" (__NR_close),"b" ((long)(fd)));
    if (__res >= )
        return (int) __res;
    errno = -__res;
    return -;
}

它先将宏 __NR_close 存入 EAX，将参数 fd 存入 EBX，然后进行 0x80 中断调用。调用返回后，从 EAX 取出返回值，存入 __res，再通过对 __res 的判断决定传给 API 的调用者什么样的返回值

__NR_close就是系统调用close的对应的编号，该宏在include/unistd.h中定义

__NR_name其实就是系统调用name的对应的编号

2.从中断进入内核

OS内核初始化时（init/main.c函数进行初始化），调用了一个sched_init()函数

void main(void)
{
//    ……
    time_init();
    sched_init();
    buffer_init(buffer_memory_end);
//    ……
}

sched_init()在kernel/sched.c中定义。作用是将各种编号的中断和中断处理程序的地址进行绑定

而0x80中断则和system_call函数进行绑定

void sched_init(void)
{
//    ……
    set_system_gate(0x80,&system_call);
}

set_system_gate 是个宏，在 include/asm/system.h 中定义：

#define set_system_gate(n,addr) \
    _set_gate(&idt[n],,,addr)

_set_gate()函数的第一个参数是中断描述符表，表中的每个指针指向一个中断描述符，n=80时对应的描述符就是int80的描述符

3表示将DPL修改成3，因为用户态的CPL是3，这么修改使CPL>=DPL，从而得以进入内核(只有int80的DPL是3，所以用户态只能通过int80进入内核)

addr是中断处理程序，这里将system_call填到int80的中断描述符中

事实上，_set_gate()函数也是一个被定义的宏，其展开后为

#define _set_gate(gate_addr,type,dpl,addr) \
__asm__ ("movw %%dx,%%ax\n\t" \
    "movw %0,%%dx\n\t" \
    "movl %%eax,%1\n\t" \
    "movl %%edx,%2" \
    : \
    : "i" ((short) (0x8000+(dpl<<)+(type<<))), \
    "o" (*((char *) (gate_addr))), \
    "o" (*(+(char *) (gate_addr))), \
    "d" ((char *) (addr)),"a" (0x00080000))

这段代码做的就是上述的事

接下去看int80的中断处理函数system_call,定义在 kernel/system_call.s 中，是纯汇编代码

 !……
 ! # 这是系统调用总数。如果增删了系统调用，必须做相应修改
 nr_system_calls =
 !……

 .globl system_call
 .align
 system_call:

 ! # 检查系统调用编号是否在合法范围内
     cmpl \$nr_system_calls-,%eax
     ja bad_sys_call
     push %ds
     push %es
     push %fs
     pushl %edx
     pushl %ecx    

 ! # push %ebx,%ecx,%edx，是传递给系统调用的参数
     pushl %ebx        

 ! # 让ds, es指向GDT，内核地址空间
     movl $0x10,%edx
     mov %dx,%ds
     mov %dx,%es
     movl $0x17,%edx
 ! # 让fs指向LDT，用户地址空间
     mov %dx,%fs
     call sys_call_table(,%eax,)
     pushl %eax
     movl current,%eax
     cmpl $,state(%eax)
     jne reschedule
     cmpl $,counter(%eax)
     je reschedule

system_call 用 .globl 修饰为其他函数可见。

call sys_call_table(,%eax,4)：根据寻址方式 展开成 call sys_call_table + 4 * %eax

　　其中eax是系统调用号，

　　　　sys_call_table 是一个指针数组，每个指针指向一个系统调用函数，其定义在 include/linux/sys.h 中

fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,...

　　所以4*%eax的意思其实是eax对应的函数指针在表中的地址

至此已经找到了内核中系统调用函数的那个指针，所以直接调用该指针对应的函数就可以啦！

3.用户态和内核态之间数据的传递过程

指针参数传递的是应用程序所在地址空间的逻辑地址，在内核中如果直接访问这个地址，访问到的是内核空间中的数据，不会是用户空间的。所以这里还需要一点儿特殊工作，才能在内核中从用户空间得到数据

例如，调用open(char *filename, ……)，

int open(const char * filename, int flag, ...)
{
//    ……
    __asm__("int $0x80"
            :"=a" (res)
            :"" (__NR_open),"b" (filename),"c" (flag),
            "d" (va_arg(arg,int)));
//    ……
}

eax里存了open的调用号，ebx里存了filename字符串指针，即指向了用户态的一串字符串，ecx存了flag...

现在的问题是，内核态要找ebx里的地址对应的字符串时，是在内核态的地址里找的，而ebx里的地址对应的是用户态的

所以要进行一些转换，在system_call函数里：

system_call: //所有的系统调用都从system_call开始
!    ……
    pushl %edx
    pushl %ecx
    pushl %ebx                # push %ebx,%ecx,%edx，这是传递给系统调用的参数
    movl $0x10,%edx            # 让ds,es指向GDT，指向核心地址空间
    mov %dx,%ds
    mov %dx,%es
    movl $0x17,%edx            # 让fs指向的是LDT，指向用户地址空间
    mov %dx,%fs
    call sys_call_table(,%eax,)    # 即call sys_open

可见，在call sys_open前，system对一些寄存器做了处理，

重点来看fs寄存器！

　　首先ds，es指向了gdt，即指向了内核的gdt，

　　但是fs指向了ldt，ldt对应的是用户态的地址空间

所以通过fs指向用户态地址，ds,es指向内核态地址来进行用户空间和内核空间的信息传递

不了解gdt和ldt的话看下图，来源：https://www.cnblogs.com/chenwb89/p/operating_system_003.html

其实cs的选择子作用在用户态是体现在ldt上的，即可以通过ldt来寻找某个段的地址

总之，依靠fs可以进行用户态的寻址并获取数据，下面看sys_open，在 fs/open.c 文件中定义

int sys_open(const char * filename,int flag,int mode)  //filename这些参数从哪里来？
/*是否记得上面的pushl %edx,    pushl %ecx,    pushl %ebx？
  实际上一个C语言函数调用另一个C语言函数时，编译时就是将要
  传递的参数压入栈中（第一个参数最后压，…），然后call …，
  所以汇编程序调用C函数时，需要自己编写这些参数压栈的代码…*/
{
    ……
    if ((i=open_namei(filename,flag,mode,&inode))<) {
        ……
    }
    ……
}

sys_open将最重要的功能交给open_namei(),然后open_namei()再交给dir_namei(),get_dir()

最后get_dir()中调用了一个get_fs_byte()

static struct m_inode * get_dir(const char * pathname)
{
    ……
    if ((c=get_fs_byte(pathname))=='/') {
        ……
    }
    ……
}

显然，get_fs_byte(pathname)获得了一个用户空间的fs寄存器指向的字节数据，

那么同理，也有put_fs_byte函数向fs指向的用户空间输出函数

这两个函数被定义在include/asm/segment.h ：

extern inline unsigned char get_fs_byte(const char * addr)
{
    unsigned register char _v;
    __asm__ ("movb %%fs:%1,%0":"=r" (_v):"m" (*addr));
    return _v;
}
extern inline void put_fs_byte(char val,char *addr)
{
    __asm__ ("movb %0,%%fs:%1"::"r" (val),"m" (*addr));
}

事实上，他俩以及所有 put_fs_xxx() 和 get_fs_xxx() 都是用户空间和内核空间之间的桥梁

实验部分：增加iam和whoami两个系统调用

思路：

　　iam的api里应该有一段包含int80指令的宏_syscall(),把iam对应的系统调用号赋值给eax，其余参数赋值给其余通用寄存器

　　通过int80切入到内核中，首先要在unist.h里新增系统调用宏_NR_iam 对应的编号

　　因为int80是通过system_call处理的，system_call里的系统调用宏个数应该+1

　　sys.h里应该加上sys_iam的系统调用函数声明，同在sys.h里的　sys_call_table应该加上iam个指针，这样才能通过system_call找到这两个函数的地址

　　然后在kernel里建立who.c，里面实现函数sys_iam

　　然后还要再修改makefile里的数据

实验做起来还有很多细节的东西，我是参考这篇博客的 https://www.shiyanlou.com/courses/reports/1264940/