Linux內核中添加系統調原理淺析

1. Linux體系結構

　　Linux系統的地址空間分爲用戶空間和內核空間，通過系統調用和硬件中斷能夠完成從用戶空間到內核空間的轉移。

 

2. 系統調用接口

① 一般情況下，用戶進程不能訪問內核空間。Linux內核中提供了一組用於實現各種系統功能的子程序，用戶可以調用它們訪問Linux內核的數據和函數，這些子程序稱爲系統調用接口（SCI）。

② 系統調用和普通函數的區別：系統調用由操作系統內核實現，運行於內核態；普通函數調用由函數庫或用戶自己提供，運行於用戶態。

 

3. 系統調用分類：主要分3大類

① 進程控制類

　　* fork

　　* clone

　　* execve

　　...

② 文件控制類

　　* fcntl

　　* open

　　* read

　　...

③ 系統控制類

　　* ioctl

　　* reboot

　　...

 

4.  系統調用工作原理

　　系統調用工作原理是（1）進程先用適當的值填充寄存器（R7），（2）然後調用一個特殊的指令（swi），（3）這個指令會讓用戶程序跳轉到一個事先定義好的內核中的一個位置（vector_swi），（4）這位置的代碼會根據寄存器（R7）的值從表sys_call_table中查找相應的函數。

（1）適當的值：系統調用號，定義於文件arch\arm\include\asm\unistd.h中。

#define __NR_restart_syscall        (__NR_SYSCALL_BASE+  0)
#define __NR_exit            (__NR_SYSCALL_BASE+  1)
#define __NR_fork            (__NR_SYSCALL_BASE+  2)
#define __NR_read            (__NR_SYSCALL_BASE+  3)
#define __NR_write            (__NR_SYSCALL_BASE+  4)
#define __NR_open            (__NR_SYSCALL_BASE+  5)
#define __NR_close            (__NR_SYSCALL_BASE+  6)

（2）特殊的指令
　　* 在X86 CPU中，這個指令由中斷0x80實現

　　* 在ARM中，這個指令是SWI（Software interrupt：軟中斷指令），現在重命名爲SVC

（3）固定的位置：在ARM體系中，這個固定位置爲ENTRY(vector_swi)（arch\arm\kernel\entry-common.S）

（4）相應的函數：內核根據應用程序傳遞來的系統調用號，從系統調用表sys_call_table（sys_call_table中表項定於文件：arch\arm\kernel\calls.S）找到相應的內核函數。

 

5. 向Linux內核中添加新的系統調用

① 在內核代碼的某一位置添加函數，如：向kernel/printk.c中添加

void sys_print()
{
    printk("Hello Kevin, this is a new system call\n");
}

② 把函數添加至sys_call_table，如：向arch\arm\kernel\calls.S中373行添加

CALL(sys_print)

③ 添加系統調用號，如：向arch\arm\include\asm\unistd.h中添加

#define __NR_sys_print        (__NR_SYSCALL_BASE+361)

6. 新的系統調用測試

①應用層測試代碼方法1：

#include <sys/syscall.h>

int main()
{
    syscall(361);
    
    return 0;
}

①應用層測試代碼方法2：

void SystemCallTest()
{
    __asm__ (
        "ldr r7, =361 \n"
        "swi \n"
        :
        :
        :"memory"
    );
}


int main()
{
    SystemCallTest();
    
    return 0;
}