2020-2021-1 20209318《Linux内核原理与分析》第五周作业
系统调用的三层机制
用户态、内核态和中断
用户态： 在低的执行级别下，代码能够掌控的范围有所限制，只能访问部分内存。
内核态： 在高的执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理内存。
中断： 从用户态进入内核态的主要方式。
- 硬件中断：在用户态进程执行时，硬件中断信号到来，进入内核态，就会执行这个中断对应的中断服务例程。
- 软中断：在用户态进程执行过程中，调用了一个系统调用（一种特殊中断），进入内核态。
系统调用概述
系统调用的功能特性：
- 把用户从底层的硬件编程中解放出来。操作系统为我们管理硬件，用户态进程不用直接与硬件设备打交道。
- 极大地提高系统的安全性。如果用户态进程直接与硬件设备打交道，会产生安全隐患，可能引起系统崩溃。
- 使用户程序具有可移植性。 用户程序与具体的硬件已经解耦合并用接口代替了，不会有紧密的关系，便于在不同系统间移植。
系统调用3层机制：
- 第一步，系统调用的库函数就是读者使用的操作系统提供的API，调用软中断向内核发出中断请求；
- 第二步，CPU切换到内核态并开始执行一个system_call和系统调用内核函数，具体通过int $0x80触发系统调用的执行；
- 第三步，进入内核，通过系统调用号将API函数和系统调用内核函数关联起来进行调用。
参数传递方式：
系统调用从用户态切换到内核态，在两种执行模式下使用不同的堆栈，通过比较特殊的寄存器传递参数。在x86-32中，EAX用于传递系统调用号，其余参数按顺序赋值给EBX,ECX,EDX,ESI,EDI和EBP，参数个数一般不超过6个。如果超过6个就把一个寄存器作为指针指向内存，通过内存传递更多的参数。
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
使用库函数API触发一个系统调用
调用函数time()来获取当前系统时间
#include<stdio.h>
#include<time.h>
int main()
{
time_t tt;
struct tm *t;
tt = time(NULL);
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;
}
执行结果
内嵌汇编语法
| 分类 | 限定符 | 描述 |
|---|---|---|
| 通用寄存器 | “a” | 将输入变量放入eax |
| - | “b” | 将输入变量放入ebx |
| - | “c” | 将输入变量放入ecx |
| - | “d” | 将输入变量放入edx |
| - | “s” | 将输入变量放入esi |
| - | “D” | 将输入变量放入edi |
| - | “q” | 将输入变量放入eax，ebx ,ecx ，edx中的一个 |
| - | “r” | 将输入变量放入通用寄存器，也就是eax ，ebx，ecx,edx，esi，edi中的一个 |
| - | “A” | 把eax和edx，合成一个64位的寄存器(uselong longs) |
| 内存 | “m” | 内存变量 |
| - | “o” | 操作数为内存变量，但是其寻址方式是偏移量类型，也即是基址寻址，或者是基址加变址寻址 |
| - | “V” | 操作数为内存变量，但寻址方式不是偏移量类型 |
| - | “.” | 操作数为内存变量，但寻址方式为自动增量 |
| - | “p” | 操作数是一个合法的内存地址（指针） |
| 寄存器或内存 | “g” | 将输入变量放入eax,ebx,ecx,edx中的一个或者作为内存变量 |
| - | “x” | 操作数可以是任何类型 |
| 立即数 | “i” | 0-31 之间的立即数（用于32位移位指令） |
| - | “J” | 0-63 之间的立即数（用于64 位移位指令） |
| - | “N” | 0-255 ，之间的立即数（用于out 指令） |
| - | “l” | 立即数 |
| - | “n” | 立即数，有些系统不支持除字以外的立即数，这些系统应该使用“n” |
| 操作数类型 | “=” | 操作数在指令中是只写的（输出操作数） |
| - | “+” | 操作数在指令中是读写类型的（输入输出操作数） |
| 浮点数 | “f” | 浮点数 |
| - | “t” | 第一个浮点寄存器 |
| - | “u” | 第二个浮点寄存器 |
| - | “G” | 标准的80387 |
| - | “%” | 该操作数可以和下一个操作数交换位置 |
示例
C代码中嵌入汇编代码触发一个系统调用
汇编代码分析
asm volatile(
"mov $0,%%ebx" /*把EBX寄存器清零*/
"mov $0xd,%%eax" /*把0xd放到EAX寄存器中，EAX寄存器用于传递系统调用号*/
"int $0x80" /*触发系统调用陷入内核执行13号系统调用的内核处理函数*/
"mov %%eax,%0"/*通过EAX寄存器返回系统调用值*/
:"=m"(tt)
);
含两个参数的系统调用
汇编分析：
asm volatile(
"movl %2,%%ecx"//将newname存入ECX寄存器
"movl %1,%%ebx"//将oldname存入EBX寄存器
"movl $0x26,%%eax"//系统调用号38 (16 进制是0x26)存入EAX寄存器
"int $0x80"//执行系统调用陷入内核态
:"=a"(ret)
:"b"(oldname),"c"(newname)
);
从运行结果可以看到9318.c文件被重命名为zhaoshu.c。
遇到的问题
课本中tim.c代码有错误，将t->tm_mda改为t->tm_mday;
需要注意localtime函数使用0表示一月，因此输出结果与日常情况不符；
