linux011系统调用原理及实验总结.docx
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linux011系统调用原理及实验总结
Linux0.11系统调用原理及实验总结
1系统调用的原理
1.1概述
系统调用是一个软中断，中断号是0x80，它是上层应用程序与Linux系统内核进行交互通信的唯一接口。
通过int0x80，就可使用内核资源。
不过，通常应用程序都是使用具有标准接口定义的C函数库间接的使用内核的系统调用，即应用程序调用C函数库中的函数，C函数库中再通过int0x80进行系统调用。
所以，系统调用过程是这样的：
应用程序调用libc中的函数－>libc中的函数引用系统调用宏－>系统调用宏中使用int0x80完成系统调用并返回。
另外一种访问内核的方式是直接添加一个系统调用，供自己的应用程序使用，这样就不再使用库函数了，变得更为直接，效率也会更高。
1.2相关的数据结构
在说具体的调用过程之前，这里先要说几个数据结构。
1.2.1 系统调用函数表
系统调用函数表sys_call_table是在sys.h中定义的，它是一个函数指针数组，每个元素是一个函数指针，它的值是各个系统提供的供上层调用的系统函数的入口地址。
也就是说通过查询这个表就可以调用软中断0x80所有的系统函数处理函数。
1.2.2 函数指针偏移宏
这是一系列宏，它们的定义在unistd.h中，基本形式为＃define_NR_namevalue，name为系统函数名字，value是一个整数值，是name所对应的系统函数指针在sys_call_table中的偏移量。
1.2.3系统调用宏
系统调用宏_syscalln（type,name）在内核的unistd.h文件中定义的，对它展开就是：
typename（参数列表）
{
调用过程；
}；
其中，n为参数个数，type为函数返回值类型，name为所要调用的系统函数的名字。
在unistd.h中共定义了4个这样的宏（n从0到3），也就是说，0.11核中系统调用最多可带3个参数。
那么下面就说这个宏干了什么，也就是说上面的那个“调用过程”是怎么样的呢？
在这个宏中嵌入了汇编代码，做的工作就是int0x80，其中将字符串“_NR_”和name连接，组成一个宏并将这个宏的值，也就是被调用的系统函数在sys_call_table中偏移量送到eax寄存器中；同时指明系统函数将来的返回值放到eax中。
1.3系统调用处理过程
下面我再说一下系统调用的核心软中断int0x80具体干了什么。
这条指令会引起CPU的软件中断，cpu会根据中断号找到中断处理程序。
这个中断处理程序是在System_call.s中。
在中断处理程序的工作过程大致是这样的：
1.3.1将寄存器ds，es，fs以及存有参数的edx,ecx,ebx入栈，再ds，es，指向内核段，fs指向用户段。
1.3.2根据eax中的偏移值，在函数表sys_call_table中找到对应的系统函数指针（函数的入口地址）。
并利用call指令调用系统函数，返回后，程序把返回值加入堆栈。
1.3.3检查执行本次系统调用的进程的状态，如果发现由于某种原因原进程没处在就绪状态或者时间片到了，就会执行进程调度函数schedule（）。
1.3.4通过执行这次调用的程序的代码选择符判断它是不是普通用户程序，如果是就调用信号处理函数。
若不是就直接弹出栈内容，并返回
2添加一个系统调用的实验
2.1实验内容
在linux0.11版本中添加两个系统调用，并编写一个简单的应用程序测试它们。
第一个系统调用是iam（），其原型为：
intiam（constchar*name）;
完成的功能是将字符串参数name的内容拷贝到内核中保存下来。
要求name的长度不能超过23个字符。
返回值是拷贝的字符数。
如果name的字符个数超过了23，则返回“-1”，并置errno为EINVAL。
第二个系统调用是whoami（），其原型为：
intwhoami（char*name,unsignedintsize）;
它将内核中由iam（）保存的名字拷贝到name指向的用户地址空间中，同时确保不会对name越界访存（name的大小由size说明）。
返回值是拷贝的字符数。
如果size小于需要的空间，则返回“-1”，并置errno为EINVAL。
2.2代码添加修改步骤
2.2.1在unistd.h中添加系统调用接口
#define__NR_whoami72
#define__NR_iam73
intwhoami（void）;
intaim（void）;
2.2.2在exit.c文件中添加系统调用处理函数的实现
系统调用的函数可以在其他.c文件中添加或在新建文件中添加，只要编辑进image都是可以的，这里为了调试方便就在exit.c文件中添加了。
#defineMAX23
charN_MAX[26];
intsys_whoami（char*name,unsignedintsize）
{
if（strlen（N_MAX）>size）
return-EINVAL;
inti;
for（i=0;N_MAX[i]!
='\0';i++）
{
put_fs_byte（N_MAX[i],&name[i]）;
}
returnstrlen（N_MAX）;
}
intsys_iam（char*name）
{
charc;
charstr[100];
memset（str,'\0',sizeof（str））;
inti;
for（i=0;i<=MAX;i++）
{
if（（c=get_fs_byte（&name[i]））!
='\0'）
{
str[i]=c;
}
else
break;
}
if（（c!
='\0'）||（i>MAX））
{
return-EINVAL;
}
memset（N_MAX,'\0',sizeof（N_MAX））;
for（i=0;str[i]!
='\0';i++）
{
N_MAX[i]=str[i];
}
returni;
}
2.2.3在system_call.s汇编代码中修改系统调用的个数
#If0
nr_system_calls=72
#else
nr_system_calls=74
#endif
2.2.4测试代码的编写test.c的代码如下：
#define__LIBRARY__
#include
_syscall1（int,iam,char*,name）
_syscall2（int,whoami,char*,name,unsignedint,size）
intmain（）
{
inta=0;
charbb[26]="champion";
charcc[26]="";
a=iam（bb）;
printf（"a=%d",a）;
a=whoami（cc,8）;
printf（"iam=%s\n",cc）;
return
（1）;
}
3系统调用相关代码的分析
3.1初始化软件中断门。
3.1.1函数调用层次
初始化软件中断门，就是把0x80软件中断的处理函数system_call挂载到中断向量表idt中，以确保发生软件中断时会运行system_call函数，这个函数在system_call.s实现。
初始化的流程如下：
main（）àsched_init（）àset_system_gate（0x80,&system_call）à_set_gate
3.1.2初始化宏_set_gate的原型
/*
传入的四个参数说明如下：
gate_addr=&idt[0x80]软件中断门的地址。
type=15type为门类型
dpl=3dpl为请求特权级
addr=&system_call=0x7119通过查找system.map可以查到中断处理程序的地址
*/
#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\n\t"\
:
\
:
"i"（（short）（0x8000+（dpl<<13）+（type<<8）））,\
"o"（*（（char*）（gate_addr）））,\
"o"（*（4+（char*）（gate_addr）））,\
"d"（（char*）（addr））,"a"（0x00080000））
3.1.3分析初始化宏_set_gate的实现
●__asm__格式为嵌入式汇编的格式，分析可知代码有5个传入的参数%0，%1，%2，%3，%4如下：
%0，立即数
"i"（（short）（0x8000+（dpl<<13）+（type<<8）））
这样，%%edx中高16位为addr的高16位，而低16位的P位为1（因为是0x8000），
DPL位段为DPL（因为dpl<<3），而D位加上类型位段则为type（因为type<<8）其余各位皆为0
%1是用内存地址，并且可以加偏移量
"o"（*（（char*）（gate_addr）））,
gate_addr=&idt[0x80]
%2是用内存地址，并且可以加偏移量
"o"（*（4+（char*）（gate_addr）））,
gate_addr=&idt[0x80]
%3,edx做为参数
"d"（（char*）（addr））,
&system_call=0x7119
edx=&system_call=0x7119
%4，eax做为参数
"a"（0x00080000））
eax=0x00080000
●__asm__格式为嵌入式汇编的格式，分析可知四条命令含义如下：
"movw%%dx,%%ax\n\t"
先将%%dx的低16位移入%%ax的低16位
这样，在%eax中就形成了所需要的中断门的第一个长整数，
其高16位为_KERNEL_CS，而低16位为addr的低16位。
"movw%0,%%dx\n\t"
字操作16位操作，操作低16位，
高16位已经有调用函数的地址.
"movl%%eax,%1\n\t"
双字操作，为门的0--31位赋值
"movl%%edx,%2\n\t"
双字操作，为门的32--63位赋值
3.2以_syscall1为例，分析系统调用入口宏的含义。
其中_syscall1是一个宏，在include/unistd.h中定义。
将_syscall1（int,close,int,fd）进行宏展开，可以得到：
#define_syscall1（type,name,atype,a）\
typename（atypea）\
{\
long__res;\
__asm__volatile（"int$0x80"\
:
"=a"（__res）\
:
"0"（__NR_##name）,"b"（（long）（a）））;\
if（__res>=0）\
return（type）__res;\
errno=-__res;\
return-1;\
}
●传入参数说明：
其中type表示系统调用的返回值类型，name表示该系统调用的名称，atype、a分别表示第1个参数的类型和名称；可以有n个系统调用的传入参数，它们的数目和_syscall后面的数字一样大。
●调用接口宏含义说明：
它先将宏__NR_##name存入EAX，将参数fd存入EBX，然后进行0x80中断调用。
调用返回后，从EAX取出返回值，存入__res，再通过对__res的判断决定传给API的调用者什么样的返回值。
__NR_##name就是系统调用的编号，在include/unistd.h中定义；在上面的例子中，我们添加了两个自己的系统调用接口，如下：
#define__NR_whoami72
#define__NR_iam73
3.3对_system_call函数的分析
●处理流程图
●处理流程分析
_system_call:
cmpl$nr_system_calls-1,%eax#调用号如果超出范围的话就在eax中置-1并退出。
jabad_sys_call
push%ds#保存原段寄存器值。
push%es
push%fs
pushl%edx#ebx,ecx,edx中放着系统调用相应的C语言函数的调用参数。
pushl%ecx#push%ebx,%ecx,%edxasparameters
pushl%ebx#tothesystemcall
movl$0x10,%edx#setupds,estokernelspace
mov%dx,%ds#ds,es指向内核数据段（全局描述符表中数据段描述符）。
mov%dx,%es
movl$0x17,%edx#fspointstolocaldataspace
mov%dx,%fs#fs指向局部数据段（局部描述符表中数据段描述符）。
#下面这句操作数的含义是：
调用地址=_sys_call_table+%eax*4。
参见列表后的说明。
#对应的C程序中的sys_call_table在include/linux/sys.h中，其中定义了一个包括72个
#系统调用C处理函数的地址数组表。
call_sys_call_table（,%eax,4）
pushl%eax#把系统调用号入栈。
movl_current,%eax#取当前任务（进程）数据结构地址。
#下面查看当前任务的运行状态。
如果不在就绪状态（state不等于0）就去执行调度程序。
#如果该任务在就绪状态但counter值等于0，则也去执行调度程序。
cmpl$0,state（%eax）#state
jnereschedule
cmpl$0,counter（%eax）#counter
jereschedule
3.4用户态和内核态之间的传递数据
在内核中主要提供了四个函数实现内核态和用户态的数据传递：
copy_to_user（），copy_from_user（），get_fs_byte（），put_fs_byte（）；上面测试用例中使用的是对字节的操作get_fs_byte（），put_fs_byte（）。
4通过bochs环境如何验证系统调用
1.1Bochs+Linux0.11调试环境建立。
可以分为两个部分的工作：
搭建调试环境和Bochs命令的使用；这两部分网上资料较多，就不在此描述了。
1.2测试程序的修改和添加方法。
1.2.1使用mount命令访问文件系统hdc-0.11.img
要想把测试程序test.c运行起来，一定要放入文件系统才行，也就是一定要把test.c程序放进hdc-0.11.img中去才行，可以用如下的方法打开文件系统：
losetup/dev/loop1hdc-0.11.img
losetup-d/dev/loop1
losetup-o512/dev/loop1hdc-0.11.img
mkdir/mnt/tempdir
mount-tminix/dev/loop1/mnt/tempdir
说明：
用losetup的-d选项把hdc-0.11.img文件与loop1的关联解除，用losetup的-o选项，
该选项指明关联的起始字节偏移位置。
由上面分区信息可知，这里第1个分区的起始偏移位置是1*512字节。
在把第1个分区与loop1重新关联后，我们就可以使用mount命令来访问其中的文件了。
在对分区中文件系统访问结束后，
最后请卸载和解除关联。
umount/dev/loop1
losetup-d/dev/loop1
1.2.2编译test.c测试程序
把测试程序放到/mnt/tempdir/user/root目录下，这样就可以任意修改test.c文件的内容，并可以把修改的内容保存到hdc-0.11.img文件系统中去了。
1.3通过bochs调试观察，是如何把0x80的中断函数system_call的地址挂载上去的。
1.3.1通过添加do_nothing（）函数，然后在此函数设置断点，可以查看0x80中断处理函数是如何放到中断向量表中去的。
加入调试辅助代码如下：
因为set_system_gate是一个宏，没有办法添加断点，所以就添加了一个函数do_nothing（），在此处设置断点，以方便观察后面宏的运行情况；并且加入了几个nop命令，以方便观察运行情况。
voidsched_init（void）
{
do_nothing（）;
set_system_gate（0x80,&system_call）;
}
1.3.2修改_set_gate宏如下，加入了nop命令，以便调试观察。
#define_set_gate（gate_addr,type,dpl,addr）\
__asm__（"nop\n\t"\
"nop\n\t"\
"nop\n\t"\
"nop\n\t"\
"movw%%dx,%%ax\n\t"\
"movw%0,%%dx\n\t"\
"nop\n\t"\
"nop\n\t"\
"movl%%eax,%1\n\t"\
"movl%%edx,%2\n\t"\
"nop\n\t"\
"nop\n\t"\
"nop\n\t"\
"nop"\
:
\
:
"i"（（short）（0x8000+（dpl<<13）+（type<<8）））,\
"o"（*（（char*）（gate_addr）））,\
"o"（*（4+（char*）（gate_addr）））,\
"d"（（char*）（addr））,"a"（0x00080000））
1.3.3可以看到运行的效果如下：
在system.map中，看到do_nothing的线性地址是0x6c1d，可以在此处设置断点。
Figure1设置断点
Figure2程序运行到_set_gate宏
Figure3查看此时寄存器中的数值
1.4调试测试程序test.c和sys_whoami和sys_iam函数
1.4.1调试系统调用处理函数sys_whoami和sys_iam.
●在system.map文件中，找到编译kernel后，函数sys_whoami和sys_iam所在的线性地址。
如下所示：
00008dbaTsys_iam
00008e57Tsys_whoami
●在bochs启动kernel后，在0x8dba和0x8e57处设置断点，然后运行test程序，
就会进入系统调用处理函数，运行到设置的断点处，后面可以单步运行，以调试sys_whoami和sys_iam，达到测试系统调用的目的。
如下图所示：
1.4.2在linux0.11的系统中编译运行test程序
在运行起来的linux0.11的系统中，通过maketest命令编译test.c文件，使生产test应用。
运行test程序后，
iam（）函数就会通过get_fs_byte（）函数把“champion”字符串存入到内存中；
whoami（）函数就会把前面存入到内存中的字符串取出，并且通过put_fs_byte（）内核函数返回到用户层；并且打印出来。
如下所示：
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