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第二章、系统接口——通向操作系统内核的大门

一、什么是系统接口

操作系统提供的一些关键函数

而普通c代码+关键函数，就构成了连接应用程序和操作系统的关键所在

二、从应用程序到系统调用的过程

在这里插入图片描述

三、自底向上

1.sys_iam的实现

（1）接口get_fs_byte(const char *addr)

sys_iam（）函数的目的是什么呢，是捕获键盘的输入，将输入存放到字符数组（也可以叫应用程序内存缓冲区）中等待输出

操作系统为我们提供了一个很重要的内核函数——get_fs_byte()，来实现捕获键盘键入的接口，我们可以直接使用他

extern inline unsigned char get_fs_byte(const char * addr)
{
   
    unsigned register char _v;
    __asm__ ("movb %%fs:%1,%0":"=r" (_v):"m" (*addr));
    return _v;
}

movb——》每次传送一个字节

%%fs：%1是什么意思呢？fs作为段选择子指向的是LDT表的一个表项,他从LDT的表项中去除用户态应用程序代码段等基地址，然后%1指的是当前需要的部分的偏移地址，找到以后，将一个字节赋给了_v，然后将 _v返回

（2）sys_iam实现
char mesg[24];
int sys_iam(const char* name){
   
    int i;
    char temp[26];
    for(i=0;i<26;i++){
   
        temp[i]=get_fs_byte(name+i);
        if(temp[i]=='\0')
            break;
    }
    if(i>23)	return -(EINVAL);
    strcpy(mesg,temp);
    return i;
}

get_fs_byte(name+i）返回了一个字符，返回的是name+i位置的字符，把他赋给中转字符数组。

2.sys_whoami的实现

（1）接口put_fs_byte(char val,char * addr)

有了输入的系统调用后，我们需要编写输出的系统调用

这里就要介绍一下**put_fs_byte(char val,char *addr)**接口函数了

显而易见，他与上面的接口函数是相对的

extern inline void put_fs_byte(char val,char *addr)
{
   
    __asm__ ("movb %0,%%fs:%1"::"r" (val),"m" (*addr));
}

不过多赘述

（2）sys_whoami实现
int sys_whoami(char *name,unsighed int size){
   
    int len=0;
    for(;mesg[len]!='\0';len++);
    if(len>size){
   
        return -(EINVAL);
    }
    int i=0;
    for(i=0;i<size;i++){
   
        put_fs_byte(mesg[i],name+i);
        if(mesg[i]=='\0')
            break;
    }
    return i;
}

这两个系统调用函数全部实现，接下来需要考虑系统应该怎么调用这两个函数

3.系统函数表sys_call_table

可以看作是一个数组，它通过索引来查找对应的系统调用，所以我们需要将这两个新的调用添加到函数表中

fn_ptr sys_call_table[] = {
    sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,
sys_write, sys_open, sys_close, sys_waitpid, sys_creat, sys_link,
sys_unlink, sys_execve, sys_chdir, sys_time, sys_mknod, sys_chmod,
sys_chown, sys_break, sys_stat, sys_lseek, sys_getpid, sys_mount,
sys_umount, sys_setuid, sys_getuid, sys_stime, sys_ptrace, sys_alarm,
sys_fstat, sys_pause, sys_utime, sys_stty, sys_gtty, sys_access,
sys_nice, sys_ftime, sys_sync, sys_kill, sys_rename, sys_mkdir,
sys_rmdir, sys_dup, sys_pipe, sys_times, sys_prof, sys_brk, sys_setgid,
sys_getgid, sys_signal, sys_geteuid, sys_getegid, sys_acct, sys_phys,
sys_lock, sys_ioctl, sys_fcntl, sys_mpx, sys_setpgid, sys_ulimit,
sys_uname, sys_umask, sys_chroot, sys_ustat, sys_dup2, sys_getppid,
sys_getpgrp, sys_setsid, sys_sigaction, sys_sgetmask, sys_ssetmask,
sys_setreuid,sys_setregid, sys_iam, sys_whoami };

注册函数

extern int sys_whoami();
extern int sys_iam();

完成这两项之后，我们的table就搞定了

4.中断处理代码——system_call

system_call主要做五件事

（1）将段寄存器DS\ES\FS保存在栈中，因为这三个寄存器存储着用户态程序指向的位置，而在内核态需要重新设置

（2）调用sys_call_table中的函数

（3）将重要参数告诉调用的重要函数

（4）设置%fs=0x17

目的是为了在操作系统内核中访问用户态内存，用户态数据段的段选择符为0x17

system_call:
cmpl $nr_system_call-1,%eax
ja bad_sys_call
push %ds
push %es
push %fs
pushl %ebx
pushl %ecx
pushl %edx
movl $0x10,%edx
mov %dx,%ds
mov %dx,%es
movl $0x17,%edx
mov %dx,%fs
call sys_call_table(,%eax,4)
pop %ds
pop %es
pop %fs
iret

cmpl语句将函数表中的函数总数与eax中保存的系统中断号比较,如果大于，就说明不存在这个函数，跳转到bad_sys_call函数执行

由于ds，es，fs仍然指向的是用户态数据段的内容，而system_call在操作系统内核中，接下来要在操作系统内核中执行，所以需要重新设置寄存器，原来的DS,ES,FS要压栈保存，在回到用户态之前再弹栈恢复寄存器的值。

0x10对应内核态数据段的段选择符

call sys_call_table(,%eax,4)

——>也就是跳转到 sys_call_table+4*%eax位置的函数执行

fs=0x17是怎么访问用户态的呢？

17转为二进制就是10111，可见最后三位2进制数为11和1，前两者转换成十进制就是3，而这个位置刚好是fs的CPL所在的位置，CPL为3，说明段的特权级是3（用户态段），后者TI=1说明要查找的段描述符在LDT表中（用户态应用程序的代码段、数据段内存区域）。这样就可以利用fs在操作系统内核中找到当前进程（即调用系统调用的进程）的用户态内存，并实现用户态内存和内核态内存的信息交换

5.int 0x80

32位机器在每执行完一条指令后都要查看INTR的CPU寄存器，如果发现它的某一位被设置为1，就根据1所在的位去查IDT表中对应的表象。0x80将INTR的0x80位设置为了1，转换为2进制就是第8位，接着就去查第8位对应的表项。

0x80号中断会作为段选择子，在IDT表中查询出来信息设置CS=0x0008，为什么是这个地址呢，第一章已经提到过了，CS=0x8在GDT表中对应的是操作系统内核代码段，而我们的目的就是为了调用system_call代码段，所以这也就说的通了

我们还再IDT表中取出了EIP=system_call函数的入口地址，GDT表获得基址，加上EIP偏移，就跳到了system_call 函数的位置。由于此时CS=0x8最后两位都是0，说明从此刻开始CPL=0，接下来的指令就具有了内核态的特权，任何区域都可以访问了，现在已经通过操作系统接口进入到了操作系统内核。

IDT表（中断向量表）初始化&int 0x80对应表项初始化
void sched_init(){
   
    …………
    set_system_gate(0x80,&system_call);
}

系统初始化的其中一个函数，IDT表初始化函数

#define set_system_gate(n,addr) set_gate(&idt[n],15,3,addr)

15对应着type，type区分终端门、陷阱门、任务门等……

3就对应的是dpl

设置IDT表的宏代码

#define set_gate(gate_addr,type,dpl,addr)
__asm__("movw %%dx,%%ax" "movw %0,%%dx" "movl %%eax,%1" "movl %%edx,%2": :"i" ((short)(0x8000+(dpl<<13)+type<<8))),"o" (*((char*)(gate_addr))),"o" (*(4+(char*)(gate_addr))),"d" ((char*)(addr)),"a" (0x00080000))

这里的执行效果是，在内嵌汇编之前，先把addr的地址（system_call的首地址）放进EDX中，再把0x00080000放进EAX中，接着执行内嵌汇编，将EDX的低16位放在EAX的低十六位中，EAX的低16位变成了system_call的低16位，第二条指令使EDX的高16位为system_call的高16位地址，低16位变成了**(0x8000+(dpl<<13)+type<<8)** （这个就是把dpl=3和type=15和IDT表项相应的位置对应上）

在这里插入图片描述

观察IDT表结构并结合EDX、EAX高/低16位的意义，可以知道，IDT表项的前四个字节是EAX的内容，后四个字节是EDX的内容

后面的两个内嵌汇编指令，就是把EAX和EDX分别写到对应的位置

6.syscall1系统接口的实现

名字后面的1代表这个接口对应的函数只有一个参数

#define syscall1(type,name,atype a)
type name(atype a){
	long __res;
	__asm__("int 0x80":"=a"(__res):" "(__NR_##name))
	if(__res>=0)
		return (type)__res;
	errno=-__res;
	return -1;
}

就提一下输入部分的" "空的引号部分，引号内为空，默认代表着寄存器EAX。

四、小结

上述步骤一步一步都实现了以后，系统接口大致的轮廓就已经完成了，剩下的启动前的一些修改准备就不多赘述，想了解的可以在蓝桥云课上看一看哈工大的实验。