《ARM與Linux些許問題》第四章：ARM平臺系統(tǒng)調(diào)用原理分析
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首先說明：系統(tǒng)調(diào)用不會導(dǎo)致進(jìn)程上下文切換。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201611/317769.htm一、介紹系統(tǒng)調(diào)用——Linux用戶空間主動進(jìn)入內(nèi)核空間的唯一方法
1.系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給用戶程序調(diào)用的一組“特殊”接口；用戶程序可以通過這組“特殊”接口來獲得操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的服務(wù)。從邏輯上來說，系統(tǒng)調(diào)用可被看成是一個內(nèi)核與用戶空間程序交互的接口；把用戶進(jìn)程的請求傳達(dá)給內(nèi)核，待內(nèi)核把請求處理完畢后再將處理結(jié)果送回給用戶空間。
2.系統(tǒng)調(diào)用按照功能邏輯大致可分為“進(jìn)程控制”、“文件系統(tǒng)控制”、“系統(tǒng)控制”、“存儲管理”、“網(wǎng)絡(luò)管理”、“socket控制”、“用戶管理”和“進(jìn)程間通信”幾類。
3.內(nèi)核接口：kernel2.6.35.11/arch/arm/include/asm/unistd.h
二、系統(tǒng)調(diào)用的主要用途1.控制硬件——系統(tǒng)調(diào)用往往作為硬件資源和用戶空間的抽象接口，比如讀寫文件時用到的write/read調(diào)用。
2.設(shè)置系統(tǒng)狀態(tài)或讀取內(nèi)核數(shù)據(jù)——因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用是用戶空間和內(nèi)核的唯一通訊手段，所以用戶設(shè)置系統(tǒng)狀態(tài)、比如開/關(guān)某項(xiàng)內(nèi)核服務(wù)（設(shè)置某個內(nèi)核變量）或讀取內(nèi)核數(shù)據(jù)都必須通過系統(tǒng)調(diào)用。比如getpid、getpriority、setpriority和sethostname等。3.進(jìn)程管理——系統(tǒng)調(diào)用接口用來保證系統(tǒng)中進(jìn)程能以多任務(wù)在虛擬內(nèi)存環(huán)境下運(yùn)行。比如fork、clone、execve和exit等。
三、內(nèi)核函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用、用戶編程接口（API）、系統(tǒng)命令的關(guān)系1.系統(tǒng)調(diào)用并非直接和程序員或系統(tǒng)管理員打交道，它僅僅是一個通過軟中斷機(jī)制向內(nèi)核提交請求、獲取內(nèi)核服務(wù)的接口。而在實(shí)際使用中程序員調(diào)用的多是用戶編程接口——api，而管理員使用的則多是系統(tǒng)命令。
2.用戶編程接口（API）其實(shí)是一個函數(shù)定義，說明了如何獲得一個給定的服務(wù)，比如read()、malloc()、free()、abs()等。
它有可能和系統(tǒng)調(diào)用形式一致，比如read()接口就和read系統(tǒng)調(diào)用一一對應(yīng)；往往會出現(xiàn)幾種不同的API內(nèi)部用到同一個系統(tǒng)調(diào)用，比如malloc()、free()內(nèi)部利用brk()系統(tǒng)調(diào)用來擴(kuò)大或縮小進(jìn)程的堆；
或一個API利用了好幾個系統(tǒng)調(diào)用組合來完成任務(wù)；更有些API甚至不需要任何系統(tǒng)調(diào)用，因?yàn)樗恍枰獌?nèi)核服務(wù)、如計算整數(shù)絕對值的abs()接口。
Linux系統(tǒng)中這些API主要是通過C庫(libc)實(shí)現(xiàn)的；它除了定義的一些標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)外，一個重要的任務(wù)是提供了一套封裝例程、將系統(tǒng)調(diào)用在用戶空間包裝后供用戶編程使用。說明：上述封裝并非必須；如果你愿意直接調(diào)用，Linux提供了一個syscall()的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)用。
3.系統(tǒng)命令相對編程接口更高了一層，它是內(nèi)部引用API的可執(zhí)行程序，比如我們常用的系統(tǒng)命令ls、hostname等。三、內(nèi)核函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用的關(guān)系
內(nèi)核函數(shù)沒有想像中那么復(fù)雜；它們和普通函數(shù)很像、只不過在內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，因此要滿足一些內(nèi)核編程的要求。系統(tǒng)調(diào)用是一層用戶進(jìn)入內(nèi)核的接口，它本身并非內(nèi)核函數(shù)；進(jìn)入內(nèi)核后，不同的系統(tǒng)調(diào)用會找到對應(yīng)到各自的內(nèi)核函數(shù)——專業(yè)術(shù)語叫：系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程。
總結(jié)：從用戶角度向內(nèi)核看；依次是系統(tǒng)命令、編程接口、系統(tǒng)調(diào)用和內(nèi)核函數(shù)。四、系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)調(diào)用利用了ARM體系結(jié)構(gòu)中的軟件中斷，軟件中斷和我們常說的中斷（硬件中斷）不同之處在于———它是通過軟件指令觸發(fā)而并非外設(shè)，也就是說由編程人員發(fā)出的一種異常；具體地講就是調(diào)用SWI匯編指令（x86上int $0x80），這條匯編指令將產(chǎn)生向量為128的編程異常，ARM從用戶模式切入管理模式、并強(qiáng)制R15-PC(程序計數(shù)器)為0x0000 0008，Linux從用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。見：《ARM與Linux些許問題》第一章：ARM工作模式
之所以系統(tǒng)調(diào)用需要借助異常實(shí)現(xiàn)；是因?yàn)楫?dāng)用戶態(tài)的進(jìn)程調(diào)用一個系統(tǒng)調(diào)用時，CPU便被切換到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行內(nèi)核函數(shù)。我們前邊分析ARM體系結(jié)構(gòu)部分已經(jīng)講過進(jìn)入內(nèi)核態(tài)——ARM高特權(quán)模式，必須經(jīng)過系統(tǒng)的門機(jī)制——異常（SWI匯編指令（x86上int $0x80等）；其他異常用戶空間無法利用，都是由內(nèi)核使用的。）。
1.SWI匯編指令（x86上int $0x80）指令的目的是產(chǎn)生一個編號為128的編程異常，這個編程異常對應(yīng)中斷描述符表IDT中的第128項(xiàng)——也就是對應(yīng)的系統(tǒng)門描述符。門描述符中含有一個預(yù)設(shè)的內(nèi)核空間地址，它指向了系統(tǒng)調(diào)用處理程序：vector_SWI()（x86上system_call()）。注意：不是系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序本身。
即：系統(tǒng)命令——>用戶編程API——>系統(tǒng)調(diào)用(調(diào)用SWI匯編指令異常)——>系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù)(vector_SWI)——>具體的系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序。其中藍(lán)色部分是內(nèi)核態(tài)函數(shù)。
2.所有的用戶空間系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)都是通過調(diào)用SWI匯編指令（x86上int $0x80）異常、進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，此時、ARM默認(rèn)從某一固定地址執(zhí)行程序（vector_SWI()（x86上system_call()）的地址）。vector_SWI()（x86上system_call()）這個內(nèi)核函數(shù)又怎樣分發(fā)這些系統(tǒng)調(diào)用到各自的內(nèi)核服務(wù)程序中呢？Linux為每個系統(tǒng)調(diào)用都進(jìn)行了編號（0——_NR_syscall）；同時在內(nèi)核中保存一張系統(tǒng)調(diào)用表，該表中保存了系統(tǒng)調(diào)用編號和其對應(yīng)的服務(wù)例程。因此，在系統(tǒng)調(diào)用通過門陷入內(nèi)核前，需要把系統(tǒng)調(diào)用號一并傳入內(nèi)核。這個傳遞工作是通過把系統(tǒng)調(diào)用號裝入相應(yīng)寄存器實(shí)現(xiàn)的。
有了如上的分析：系統(tǒng)調(diào)用處理程序vector_SWI()（x86上system_call()）一旦運(yùn)行；就可以從相應(yīng)寄存器中得到數(shù)據(jù)，然后再去系統(tǒng)調(diào)用表中尋找相應(yīng)的服務(wù)例程了。
注意：除了系統(tǒng)調(diào)用號之外，有的系統(tǒng)調(diào)用還需要傳遞一些參數(shù)給內(nèi)核；這是Linux在vector_SWI()（x86上system_call()）調(diào)用時將參數(shù)等值傳入其他寄存器。
內(nèi)核系統(tǒng)服務(wù)例程結(jié)束時，system_call(）從相應(yīng)寄存器中獲得系統(tǒng)調(diào)用返回值，并把這個返回值放在曾保存用戶態(tài)相應(yīng)寄存器棧單元的那個位置；然后跳轉(zhuǎn)到ret_from_sys_call()，終止系統(tǒng)調(diào)用處理程序的執(zhí)行。
====================================================================================================================================五、主要路徑
1.用戶空間：libc庫沒有研究代碼，大體機(jī)制如下——
調(diào)用SWI匯編指令（x86上int $0x80））軟中斷進(jìn)入內(nèi)核，并傳入中斷向量號相關(guān)中斷向量號arm-2010.09/arm-none-linux-gnueabi/libc/usr/include/bits/syscall.h
#define SYS_getuid __NR_getuid2.內(nèi)核空間：ARM中系統(tǒng)調(diào)用號定義路徑：kernel2.6.35.11/arch/arm/include/asm/unistd.h
#define __NR_getuid (__NR_SYSCALL_BASE+ 24)
異常進(jìn)入內(nèi)核空間函數(shù)路徑：kernel2.6.35.11/arch/arm/kernel/entry-common.s
默認(rèn)執(zhí)行vector_SWI（x86上system_call()）函數(shù)
ARM中系統(tǒng)調(diào)用表定義路徑：kernel2.6.35.11/arch/arm/kernel/calls.S
CALL(sys_getuid) //第24個，要與前面unistd中對應(yīng)ARM中系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序的聲明路徑：kernel2.6.35.11/include/linux/syscalls.h
asmlinkage long sys_getuid(void);
====================================================================================================================================x86平臺相關(guān)路徑（內(nèi)核）：
系統(tǒng)調(diào)用號路徑——kernel2.6.35.11/arch/x86/include/asm/unistd.h
system_call()函數(shù)路徑——kernel2.6.35.11/arch/x86/kernel/entry.S
系統(tǒng)調(diào)用表路徑——kernel2.6.35.11/arch/x86/kernel/syscall_table.S或直接在entry.S中定義
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