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week 4 系统调用（上）

一、用户态、内核态和中断处理过程

用户通过库函数与系统调用联系起来。

1.内核态

在高执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址。

2.用户态：

代码的掌控范围受到限制。

intel x86 CPU有四个权限分级，0-3。Linux只取两种，0是内核态，3是用户态

区分权限级别使得系统更加稳定。

如何区分用户态与内核态？

cs：eip。[代码段选择寄存器：偏移量寄存器]

通过cs寄存器的最低两位，表示当前代码的特权级：

【针对逻辑地址】

0xc0000000以上的空间只能在内核态下访问

0x00000000-0xbfffffff两种状态下都可以访问

如何进行切换？

中断。

3.中断

中断处理是从用户态进入内核态的主要方式。

 - 硬件中断

 - 系统调用

寄存器上下文

从用户态切换到内核态时，必须保存用户态的寄存器上下文到内核堆栈中，同时会把当前内核态的一些信息加载，例如cs：eip指向中断处理程序入口。
- 用户态栈顶地址
- 当时状态字
- 当时cs：eip
- ……
中断发生后的第一件事就是保存现场 - SAVE_ALL

中断处理结束前最后一件事是恢复现场 - RESTORE_ALL

二、系统调用概述

1. 系统调用的意义：

操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供了一组接口，就是系统调用。

- 远离底层硬件编程

- 安全性

- 可移植性

2. API - 应用编程接口

与系统调用区别：

- API只是一个函数定义

- 系统调用是通过软中断向内核发出一个明确的请求。

一般每个系统调用对应一个封装例程，库再用这些封装例程定义出用户的API，方便用户使用。

也就是说，API与系统调用不是一一对应的：

API可以：

- 直接提供用户态服务

- 一个单独的API可能调用几个系统调用

- 不同的API可能调用了同一个系统调用

返回值：

 - 大部分封装例程返回一个整数

 - -1表示失败，不能满足请求

 - errno 特定出错码

3.所谓“扒开系统调用的三层皮”

API（xyz）
中断向量（system_call）
中断服务程序（sys_xyz）

1.系统调用的服务例程中，中断向量0x80与system_call绑定起来。（Linux中可以通过执行int $128来执行系统调用。）

2.system_call是linux中所有系统调用的入口点，每个系统调用至少有一个参数，即系统调用号。

3.系统调用号将xyz与sys_xyz关联起来。调用号在eax中。

系统调用的参数传递：

函数调用——压栈
用户态到内核态——寄存器传递。

每个参数长度不能超过32位，个数不能超过6个。

超过的话？

使某个寄存器中存储指针，指向内存，内存中存储参数。

三、使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码触发同一个系统调用

1.使用库函数API获取系统当前时间

使用time()，代码如下：

#include<stdio.h>

#include<time.h>

int  main()

{

    time_t tt;

    struct tm *t;//构造一个结构体，方便读取

    tt = time(NULL);//time系统调用

    t = localtime(&tt);

    printf("time:%d:%d:%d:%d:%d:%d\n", t->tm_year+1900, t->tm_mon, t->tm_mday,  t->tm_hour, t->tm_min, t->tm_sec);

    return 0;

}

执行如下：

2.使用C代码中嵌入汇编代码触发系统调用获取系统当前时间

代码如下：

#include<stdio.h>

#include<time.h>

int  main()

{

    time_t tt;

    struct tm *t;

    asm volatile(

        "mov $0,%%ebx\n\t"  # 把ebx清零，相当于传参数

        "mov $0xd,%%eax\n\t"    # 把0xd放入eax中，即系统调用号13，指time

        "int $0x80\n\t"

        "mov %%eax,%0\n\t"  # 返回值是在eax中，%0指tt，把返回值放到tt中去。

        : "=m" (tt)

    );

    t = localtime(&tt);

    printf("time:%d:%d:%d:%d:%d:%d\n", t->tm_year+1900, t->tm_mon, t->tm_mday,  t->tm_hour, t->tm_min, t->tm_sec);

    return 0;

}

可以从中看出用户态向内核态做了什么：

1.传递了一个系统调用号 - eax

2.传递了参数 - ebx