Linux应用调试-初步制作系统调用(用户态->内核态)
1首先来讲讲应用程序如何实现系统调用(用户态->内核态)?
我们以应用程序的write()函数为例:
1)首先用户态的write()函数会进入glibc库,里面会将write()转换为swi（Software Interrupt）指令,从而产生软件中断,swi指令如下所示:
swi #val //val: bit[23:0]立即数,该val用来判断用户函数需要调用哪个内核函数
2)然后CPU会跳到异常向量入口vector_swi处,根据swi指令后面的val值,在某个数组表里找到对应的sys_write()函数
代码如下所示(位于arch\arm\kernel\entry-common.S):
ENTRY(vector_swi) /*保护用户态的现场*/ sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE stmia sp, {r0 - r12} @ Calling r0 - r12 add r8, sp, #S_PC stmdb r8, {sp, lr}^ @ Calling sp, lr mrs r8, spsr @ called from non-FIQ mode, so ok. str lr, [sp, #S_PC] @ Save calling PC str r8, [sp, #S_PSR] @ Save CPSR str r0, [sp, #S_OLD_R0] @ Save OLD_R0 zero_fp ... ... ldr scno, [lr, #-4] @ get SWI instruction //获取SWI值 A710( and ip, scno, #0x0f000000 @ check for SWI) A710( teq ip, #0x0f000000) //校验SWI的bit[27:24]是否为0xf A710( bne .Larm710bug) ... ... enable_irq //调用enable_irq()函数 get_thread_info tsk adr tbl, sys_call_table @ load syscall table pointer // tbl等于数组表基地址 ldr ip, [tsk, #TI_FLAGS] @ check for syscall tracing ... ... bic scno, scno, #0xff000000 @ mask off SWI op-code //只保留SWI的bit[23:0],也就是val值 eor scno, scno, #__NR_SYSCALL_BASE @ check OS number //对于2440而讲,__NR_SYSCALL_BASE基地址等于0x900000,也就是说val值为0x900000时,异或后,scno则等于0,表示数组表的基地址(第一个函数位置) ... ... ldrcc pc, [tbl, scno, lsl #2] @ call sys_* routine //pc=(tbl+scno)<<2,实现调用sys_write() //tbl:数组表基地址, scno:要调用的sys_write()的索引值 lsl #2:左移2位,一个函数指针占据4个字节
从上面代码可以看出,2440的val基值为0x900000,也就是说要调用数组表的第一个函数时,则使用:
swi #0x900000
2 接下来,我们便来自制一个系统调用
- 1)在内核中,仿照一个sys_hello函数,然后放入数组表,供swi调用
- 2)写应用程序,直接通过swi指令,来调用sys_hello函数
3 仿照sys_hello()
3.1先来查找数组表,以sys_write为例,搜索找到位于arch/arm/kernel/calls.S,如下图所示:
其中CALL定义如下所示:
.equ NR_syscalls,0 //将NR_syscalls=0 #define CALL(x) .equ NR_syscalls,NR_syscalls+1 //将CALL(x) 定义为：NR_syscalls=NR_syscalls+1 ,也就是每有一个CALL(),则该CALL值则+1 #include "calls.S" //将calls.S的内容包进来，CALL(x)上面已经有了定义,就会将calls.S里面的所有CALL(sys_xx)排列起来 #undef CALL //撤销CALL定义 #define CALL(x) .long x //然后再将排列起来的sys_xx以long(4字节)对齐,一个函数指针占据4字节
3.2 所以我们在call.S文件的CALL()列表的最后添加一段, 如下图所示, sys_hello()的val值为352:
3.3 fs\read_write.c文件里写一个sys_hello()函数
asmlinkage void sys_hello(const char __user * buf, size_t count) //打印count长数据 { char ker_buf[100]; if(buf) { copy_from_user(ker_buf, buf, (count<100)? count : 100); ker_buf[99]='\0'; printk("sys_hello:%s\n",ker_buf); } }
3.4 include\linux\syscalls.h文件里声明sys_hello()
asmlinkage void sys_hello(const char __user * buf, size_t count);
4.写应用程序
#include <errno.h> #include <unistd.h> #define __NR_SYSCALL_BASE 0x900000 void hello(char *buf, int count) {
/* swi */ asm ("mov r0, %0\n" /* save the argment in r0 */ //%0等于buf "mov r1, %1\n" /* save the argment in r0 */ //%1等于count "swi %2\n" /* do the system call */ //%2等于0x900352 : //输出部 : "r"(buf), "r"(count), "i" (__NR_SYSCALL_BASE + 352) //输入部 : "r0", "r1"); //损坏部,指原有的数据会被破坏 } int main(int argc, char **argv) { printf("in app, call hello\n"); hello("www.100ask.net", 15);//这个函数会调用内核的sys_hello() return 0; }
4.1 其中asm ()是一个内嵌汇编(参考linux内核源代码情景分析1.5.2节)
格式如下所示:
- asm( 指令部 : 输出部 : 输入部 : 损坏部 );
指令部
在指令部中,若出现%0、%1、%2等,则表示指令部后面的第几个变量.
比如上面代码的"mov r0, %0\n".
其中%0便会对应buf值,而"r"是一个约束条件字母,r表示任意一个寄存器,在预处理时,便会自动分配一个寄存器,将buf值放入该寄存器里,然后运行mov r0 (buf对应的寄存器)
输出部
每个输出部的约束条件字母都要加上"=",比如:
int num=5,val; asm("mov %0,%1\n" :"=r"(val) //指定val是一个输出部,执行mov后,val便等于5 :"i"(num) // "i"约束条件字母,表示num是一个立即数 : );
输入部
和输出部唯一不同的就是,在约束条件字母前不能加上"="
常用的约束条件字母,如下图所示:
损坏部
和输入输出类似,一般用来处理操作的中间过程,因为这些原有的内容都会被损坏,比如上面的hello()里的"r0", "r1",只是用来当做参数,传递给内核的sys_hello()
5.重新烧写内核,试验应用程序
如上图所示,一个简单的系统调用便OK了
调用成功后,就可以来修改sys_hello(),来打印应用程序的各个寄存器值,打断点,来实现调试应用程序,需要用到:
task_pt_regs(current); //获取当前应用程序的各个寄存器内容,会返回一个pt_regs结构体
参考文献
