Linux內核設備驅動之系統調用筆記整理

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 * 系統調用
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(1)什么是系統調用

系統調用是內核和應用程序間的接口，應用程序要訪問硬件設備和其他操作系統資源，必須通過系統調用來完成。

在linux中，系統調用是用戶空間訪問內核的唯一手段，除異常和中斷外，他們是內核唯一的合法入口。系統調用的數量很少，在i386上只有大概300個左右。

(2)c庫和系統調用的關系

應用程序員通過C庫中的應用程序接口(API)而不是直接通過系統調用來編程。C庫中的函數可以不調用系統調用，也可以只是簡單封裝一個系統調用，還可以通過調用多個系統調用來實現一個功能。

應用程序-->C庫-->內核的系統調用

從程序員的角度來看，系統調用無關緊要，他們只需要跟API打交道就可以了；

從內核的角度來看，內核只跟系統調用打交道，庫函數及應用程序怎么使用系統調用不是內核所關心的。

unix的系統調用抽象出了用于完成某種特定目的的函數，而怎么使用這些函數則是用戶的事情，內核并不關心。

(3)在內核中實現的系統調用函數

在用戶空間中使用系統調用例子

#include <unistd.h>
getpid();

經過glibc庫的封裝，最終會調用內核中kernel/timer.c中的函數sys_getpid。見該函數。內核中所有的系統調用函數都用sys_開頭。

• asmlinkage  通知編譯器，使用局部堆棧來傳遞參數
• FASTCALL宏  通知編譯器，使用寄存器來傳遞參數

(4)系統調用號

因為系統調用要從用戶空間進入內核空間，所以不可能通過簡單的函數調用完成，必須通過一些處理器支持的特殊機制(所謂的軟中斷)。

在x86上，這一特殊機制就是匯編指令int $0x80， 而在arm上，就是匯編指令SWI。

這條指令被封裝到C庫中的函數里，當程序執行到這一條指令后，cpu會進入一個特殊的異常模式(或軟中斷模式)，并將程序指針跳轉到特點的位置(如arm為中斷向量表的0x8處)。

內核中實現了很多的系統調用，這些系統調用的地址被按順序放在一個系統調用表中，這個表是一個名為sys_call_table的數組，共有NR_syscalls個表項。通過這個表，就可以調用到內核定義的所以sys_函數

調用匯編指令int $0x80 或SWI 時，要同時傳遞一個系統調用號，這個系統調用號將作為索引，從sys_call_table中選擇對應的系統調用。

int80將系統調用號保存在eax寄存器中，而SWI將其直接集成在指令中(如SWI 0x124)。

(5)系統調用的實現機制

內核中處理系統調用的函數定義在arch/i386/kernel/entry.s中的system_call，而arm系統在arch/arm/kernel/entry-common.s中的vector_swi。x86系統的系統調用表定義在arch/i386/kernel/syscall_table.s(或直接定義在entry.s)中，而arm定義在arch/arm/kernel/calls.s中系統調用號定義在include/asm/unistd.h中

(6)要實現系統調用需注意哪些方面

給linux添加一個系統調用不難，但怎么設計和實現一個系統調用是難題所在。linux不提倡采用多用途的系統調用(根據不同的參數提供不同的功能)。

系統調用必須仔細檢查傳入參數的有效性，尤其是用戶提供的指針，必須確保：

• *指針指向的內存區域屬于用戶空間，進程不能哄騙內核去讀內核空間的數據
• *指針指向的內存區域屬于進程的地址空間，不能哄騙內核去讀其他進程的數據
• *進程不能繞過內存訪問權限。

內核在執行系統調用的時候處于進程上下文，可以休眠，也可以被搶占，所以必須保證系統調用是可重入的。

(7)一個系統調用的例子(包括內核的修改和用戶空間程序的實現)

實現一個系統調用sys_foo

a.添加系統調用號

修改include/asm/unistd.h，加入：#define __NR_foo 289   并修改：#define NR_syscalls 290

b.在系統調用表中添加

修改arch/i386/kernel/entry.s或syscall_table.s，加入：

.long sys_foo

c.系統調用必須編譯到核心的內核映像中，可以將系統調用的定義放置到和其功能聯系最緊密的代碼中，如kernel/sys.c，加入:

#include <asm/thread_info.h>
/* 
 * return the size of kernel stack
 */
asmlinkage long sys_foo(void)
{
 return THREAD_SIZE;
}

d.在用戶空間進行調用

通常，系統調用靠c庫支持，glibc不可能支持我們自己的系統調用，此時，需要借助linux本身提供的一組宏來對系統調用直接進行訪問。 

man 2 syscall

總結

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