YeLi’s Blog
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NotesAbout

OS Interface

接口表现为函数调用，又由系统提供，所以称为系统调用（System Call）。
IEEE对其制定了一个标准族——POSIX（Portable Operating System Interface of Unix）。

系统调用的实现

特权级

在系统调用中不能随意的调用数据，不能随意的jmp。否则会影响系统安全。
通过（也仅能通过）硬件电路对其进行控制，将内存分割为内核段与用户段来区别内核态与用户态。
内核态可以访问任何数据，用户态不能访问内核数据。同时对指令跳转也进行隔离。
 
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CPL（Current Privilege Level）是当前进程的权限级别，是当前正在执行的代码所在的段的特权级，存在于CS寄存器的低两位：0是内核态、3是用户态。
DPL（Descriptor Privilege Level）存储在段描述符中，规定访问该段的权限级别，每个段的DPL固定。
当进程访问一个段时，由硬件进行特权级检查，只有当前指令的特权级大于等于目标指令的特权级时才被允许。
系统初始化时（head.s）针对内核态的代码建立GDT表项，对应的DPL为0。初始化完成后，转为用户态运行，需要将CS的CPL置为3。

硬件提供了主动进入内核的方法——中断

中断是用户程序调用内核代码的唯一方法，int 0x80指令将CS中的CPL改成0，进入内核。
系统调用的核心：
  1. 用户程序中包含一段含int指令的代码（库函数）
  1. 操作系统写中断处理，获取想调用程序的编号
  1. 操作系统根据编号执行相应代码

Linux中的系统调用的实现细节

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库函数write最终展开成包含int指令的代码
//linux/lib/write.c
#include <unistd.h> 
_syscall3(int, write, int, fd, const char *buf, off_t, count)
//linux/include/unistd.h
//syscall3表示有3个参数
#define _syscall3(type,name,atype,a,btype,b,ctype,c) \
type name(atype a,btype b,ctype c) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
	: "=a" (__res) \
	: "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a)),"c" ((long)(b)),"d" ((long)(c))); \
if (__res>=0) \
	return (type) __res; \
errno=-__res; \
return -1; \
}
显然，__NR_write是系统调用号，放在eax中；
同时，eax也存放返回值，ebx、ecx、edx存放3个参数。

int 0x80 中断的处理

在IDT表取出中断处理函数然后跳到那里执行，处理完成后回到中断时代码
初始化时在sched_init函数中设置了中断处理门：
void sched_init(void)
{
	//system_call是中断处理函数的地址
	//使用set_system_gate设置0x80的中断处理
	set_system_gate(0x80,&system_call);
}
//linux/include/asm/system.h

//将dpl置为3，addr传入中断处理函数
#define set_system_gate(n,addr) \
	_set_gate(&idt[n],15,3,addr)

#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<<13)+(type<<8))), \
	"o" (*((char *) (gate_addr))), \
	"o" (*(4+(char *) (gate_addr))), \
	"d" ((char *) (addr)),"a" (0x00080000))
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进入80号中断时，将 段:偏移设置 为新的PC（CS=8，IP=system_call）。而且DPL是3，用户程序可以访问。
CS中的最后两位是CPL，CS=8时CPL=0，所以通过80中断执行中断处理函数时特权级已经是0。
//linux/kernel/system_call.s

nr_system_calls=72
.globl _system_call
_system_call: 
	cmpl $nr_system_calls-1,%eax   //eax中存放的是系统调用号
  ja bad_sys_call
  push %ds
	push %es
	push %fs
  pushl %edx  //调用的参数
	pushl %ecx
	pushl %ebx
	movl $0x10,%edx
	mov %dx,%ds //内核数据
	mov %dx,%es 
	movl $0x17,%edx
	mov %dx,%fs //fs可以找到用户数据 
	call _sys_call_table(,%eax,4) //a(,%eax,4)=a+4*eax eax是__NR_write
	pushl %eax //返回值压栈，留着ret_from_sys_call时用
	... //其他代码
ret_from_sys_call: popl %eax, 其他pop, iret
将ds、es赋为0x10（16），也就是内核的数据段。此时既是内核的数据段，也是内核的代码段。
_sys_call_table+4*%eax 就是相应的系统调用处理函数入口。4表示每个系统调用（函数指针）占4个字节（32位）。
eax=4，call _sys_call_table(,%eax,4) 就是call sys_wirte 。
//include/linux/sys.h
fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,
sys_write, ... };  //sys_wirte对应下标为4，__NR_write=4
//include/linux/sched.h
typedef int (fn_ptr*)();
 
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