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本篇说清楚系统调用

读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)工作模式篇.

本篇通过一张图和七段代码详细说明系统调用的整个过程,代码一捅到底,直到汇编层再也捅不下去. 先看图,这里的模式可以理解为空间,因为模式不同运行的栈空间就不一样.

过程解读在应用层main中使用系统调用mq_open(posix标准接口)

mq_open被封装在库中,这里直接看库里的代码.

mq_open中调用syscall,将参数传给寄出器 R7,R0~R6

SVC 0 完成用户模式到内核模式(SVC)的切换

_osExceptSwiHdl运行在svc模式下.

PC寄存器直接指向_osExceptSwiHdl处取指令.

_osExceptSwiHdl是汇编代码,先保存用户模式现场(R0~R12寄存器),并调用OsArmA32SyscallHandle完成系统调用

OsArmA32SyscallHandle中通过系统调用号(保存在R7寄存器)查询对应的注册函数SYS_mq_open

SYS_mq_open是本次系统调用的实现函数,完成后return回到OsArmA32SyscallHandle

OsArmA32SyscallHandle再return回到_osExceptSwiHdl

_osExceptSwiHdl恢复用户模式现场(R0~R12寄存器)

从内核模式(SVC)切回到用户模式,PC寄存器也切回用户现场.

由此完成整个系统调用全过程

七段追踪代码,逐个分析

1.应用程序 mainint main(void)

{

char mqname[NAMESIZE], msgrv1[BUFFER], msgrv2[BUFFER];

const char *msgptr1 = "test message1";

const char *msgptr2 = "test message2 with differnet length";

mqd_t mqdes;

int prio1 = 1, prio2 = 2;

struct timespec ts;

struct mq_attr attr;

int unresolved = 0, failure = 0;

sprintf(mqname, "/" FUNCTION "_" TEST "_%d", getpid());

attr.mq_msgsize = BUFFER;

attr.mq_maxmsg = BUFFER;

mqdes = mq_open(mqname, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR, &attr);

if (mqdes == (mqd_t)-1) {

perror(ERROR_PREFIX "mq_open");

unresolved = 1;

}

if (mq_send(mqdes, msgptr1, strlen(msgptr1), prio1) != 0) {

perror(ERROR_PREFIX "mq_send");

unresolved = 1;

}

printf("Test PASSED\n");

return PTS_PASS;

}

2. mq_open 发起系统调用mqd_t mq_open(const char *name, int flags, ...)

{

mode_t mode = 0;

struct mq_attr *attr = 0;

if (*name == '/') name++;

if (flags & O_CREAT) {

va_list ap;

va_start(ap, flags);

mode = va_arg(ap, mode_t);

attr = va_arg(ap, struct mq_attr *);

va_end(ap);

}

return syscall(SYS_mq_open, name, flags, mode, attr);

}

解读SYS_mq_open 是真正的系统调用函数,对应一个系统调用号__NR_mq_open,通过宏SYSCALL_HAND_DEF将SysMqOpen注册到g_syscallHandle中.static UINTPTR g_syscallHandle[SYS_CALL_NUM] = {0};//系统调用入口函数注册

static UINT8 g_syscallNArgs[(SYS_CALL_NUM + 1) / NARG_PER_BYTE] = {0};//保存系统调用对应的参数数量

#define SYSCALL_HAND_DEF(id, fun, rType, nArg)                                             \

if ((id) 

g_syscallHandle[(id)] = (UINTPTR)(fun);                                            \

g_syscallNArgs[(id) / NARG_PER_BYTE] |= ((id) & 1) ? (nArg) <

}                                                                                      \

#include "syscall_lookup.h"

#undef SYSCALL_HAND_DEF

SYSCALL_HAND_DEF(__NR_mq_open, SysMqOpen, mqd_t, ARG_NUM_4)

g_syscallNArgs为注册函数的参数个数,也会一块记录下来.

四个参数为 SYS_mq_open的四个参数,后续将保存在R0~R3寄存器中

3. syscalllong syscall(long n, ...)

{

va_list ap;

syscall_arg_t a,b,c,d,e,f;

va_start(ap, n);

a=va_arg(ap, syscall_arg_t);

b=va_arg(ap, syscall_arg_t);

c=va_arg(ap, syscall_arg_t);

d=va_arg(ap, syscall_arg_t);

e=va_arg(ap, syscall_arg_t);

f=va_arg(ap, syscall_arg_t);//最多6个参数

va_end(ap);

return __syscall_ret(__syscall(n,a,b,c,d,e,f));

}

//4个参数的系统调用时底层处理

static inline long __syscall4(long n, long a, long b, long c, long d)

{

register long a7 __asm__("a7") = n; //将系统调用号保存在R7寄存器

register long a0 __asm__("a0") = a; //R0

register long a1 __asm__("a1") = b; //R1

register long a2 __asm__("a2") = c; //R2

register long a3 __asm__("a3") = d; //R3

__asm_syscall("r"(a7), "0"(a0), "r"(a1), "r"(a2), "r"(a3))

}

解读可变参数实现所有系统调用的参数的管理,可以看出,在鸿蒙内核中系统调用的参数最多不能大于6个

R7寄存器保存了系统调用号,R0~R5保存具体每个参数

可变参数的具体实现后续有其余篇幅详细介绍,敬请关注.

4. svc 0//切到SVC模式

#define __asm_syscall(...) do { \

__asm__ __volatile__ ( "svc 0" \

: "=r"(x0) : __VA_ARGS__ : "memory", "cc"); \

return x0; \

} while (0)

看不太懂的没关系,这里我们只需要记住：系统调用号存放在r7寄存器，参数存放在r0,r1,r2寄存器中，返回值最终会存放在寄存器r0中

b   reset_vector            @开机代码

b   _osExceptUndefInstrHdl @异常处理之CPU碰到不认识的指令

b   _osExceptSwiHdl@异常处理之:软中断

b   _osExceptPrefetchAbortHdl@异常处理之:取指异常

b   _osExceptDataAbortHdl@异常处理之:数据异常

b   _osExceptAddrAbortHdl@异常处理之:地址异常

b   OsIrqHandler@异常处理之:硬中断

b   _osExceptFiqHdl@异常处理之:快中断

解读svc 全称是 SuperVisor Call,完成工作模式的切换.不管之前是7个模式中的哪个模式,统一都切到SVC管理模式.但你也许会好奇，ARM软中断不是用SWI吗，这里怎么变成了SVC了，请看下面一段话，是从ARM官网翻译的：SVC

超级用户调用。

语法

SVC{cond} #immed

其中：

cond

是一个可选的条件代码(请参阅条件执行)。

immed

是一个表达式，其取值为以下范围内的一个整数：

在 ARM 指令中为 0 到 224–1(24 位值)

在 16 位 Thumb 指令中为 0-255(8 位值)。

用法

SVC 指令会引发一个异常。 这意味着处理器模式会更改为超级用户模式，CPSR 会保存到超级用户模式 SPSR，并且执行会跳转到 SVC 向量(请参阅《开发指南》中的第 6 章 处理处理器异常)。

处理器会忽略 immed。 但异常处理程序会获取它，借以确定所请求的服务。

Note

作为 ARM 汇编语言开发成果的一部分，SWI 指令已重命名为 SVC。 在此版本的 RVCT 中，SWI 指令反汇编为 SVC，并提供注释以指明这是以前的 SWI。

条件标记

此指令不更改标记。

体系结构

此 ARM 指令可用于所有版本的 ARM 体系结构。

而软中断对应的处理函数为 _osExceptSwiHdl,即PC寄存器将跳到_osExceptSwiHdl执行

5. _osExceptSwiHdl@ Description: Software interrupt exception handler

_osExceptSwiHdl: @软中断异常处理

@保存任务上下文(TaskContext) 开始... 一定要对照TaskContext来理解

SUB     SP, SP, #(4 * 16)@先申请16个栈空间用于处理本次软中断

STMIA   SP, {R0-R12}@TaskContext.R[GEN_REGS_NUM] STMIA从左到右执行,先放R0 .. R12

MRS     R3, SPSR@读取本模式下的SPSR值

MOV     R4, LR@保存回跳寄存器LR

AND     R1, R3, #CPSR_MASK_MODE                          @ Interrupted mode 获取中断模式

CMP     R1, #CPSR_USER_MODE                              @ User mode是否为用户模式

BNE     OsKernelSVCHandler                               @ Branch if not user mode 非用户模式下跳转

@ 当为用户模式时,获取SP和LR寄出去值

@ we enter from user mode, we need get the values of  USER mode r13(sp) and r14(lr).

@ stmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list).

MOV     R0, SP @获取SP值,R0将作为OsArmA32SyscallHandle的参数

STMFD   SP!, {R3}                                        @ Save the CPSR 入栈保存CPSR值 => TaskContext.regPSR

ADD     R3, SP, #(4 * 17)                                @ Offset to pc/cpsr storage 跳到PC/CPSR存储位置

STMFD   R3!, {R4}                                        @ Save the CPSR and r15(pc) 保存LR寄存器 => TaskContext.PC

STMFD   R3, {R13, R14}^                                  @ Save user mode r13(sp) and r14(lr) 从右向左 保存 => TaskContext.LR和SP

SUB     SP, SP, #4 @ => TaskContext.resved

PUSH_FPU_REGS R1@保存中断模式(用户模式模式)

@保存任务上下文(TaskContext) 结束

MOV     FP, #0                                           @ Init frame pointer

CPSIE   I@开中断,表明在系统调用期间可响应中断

BLX     OsArmA32SyscallHandle/*交给C语言处理系统调用,参数为R0,指向TaskContext的开始位置*/

CPSID   I@执行后续指令前必须先关中断

@恢复任务上下文(TaskContext) 开始

POP_FPU_REGS R1 @弹出FP值给R1

ADD     SP, SP,#4 @ 定位到保存旧SPSR值的位置

LDMFD   SP!, {R3}                                        @ Fetch the return SPSR 弹出旧SPSR值

MSR     SPSR_cxsf, R3                                    @ Set the return mode SPSR 恢复该模式下的SPSR值

@ we are leaving to user mode, we need to restore the values of USER mode r13(sp) and r14(lr).

@ ldmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list)

LDMFD   SP!, {R0-R12} @恢复R0-R12寄存器

LDMFD   SP, {R13, R14}^                                  @ Restore user mode R13/R14 恢复用户模式的R13/R14寄存器

ADD     SP, SP, #(2 * 4) @定位到保存旧PC值的位置

LDMFD   SP!, {PC}^                                       @ Return to user 切回用户模式运行

@恢复任务上下文(TaskContext) 结束

OsKernelSVCHandler:@主要目的是保存ExcContext中除(R0~R12)的其他寄存器

ADD     R0, SP, #(4 * 16)@跳转到保存PC,LR,SP的位置,此时R0位置刚好是SP的位置

MOV     R5, R0@由R5记录SP位置,因为R0要暂时充当SP寄存器来使用

STMFD   R0!, {R4}                                        @ Store PC => ExcContext.PC

STMFD   R0!, {R4} @ 相当于保存了=>  ExcContext.LR

STMFD   R0!, {R5} @ 相当于保存了=>  ExcContext.SP

STMFD   SP!, {R3}                                        @ Push task`s CPSR (i.e. exception SPSR). =>ExcContext.regPSR

SUB     SP, SP, #(4 * 2)                                 @ user sp and lr => =>ExcContext.USP,ULR

MOV     R0, #OS_EXCEPT_SWI                               @ Set exception ID to OS_EXCEPT_SWI.

@ 设置异常ID为软中断

B       _osExceptionSwi                                  @ Branch to global exception handler.

@ 跳到全局异常处理

解读运行到此处,已经切到SVC的栈运行,所以先保存上一个模式的现场

获取中断模式,软中断的来源可不一定是用户模式,完全有可能是SVC本身,比如系统调用中又发生系统调用.就变成了从SVC模式切到SVC的模式

MOV R0, SP ;sp将作为参数传递给OsArmA32SyscallHandle

调用 OsArmA32SyscallHandle 这是所有系统调用的统一入口

注意看OsArmA32SyscallHandle的参数 UINT32 *regs

6. OsArmA32SyscallHandle/* The SYSCALL ID is in R7 on entry.  Parameters follow in R0..R6 */

/******************************************************************

由汇编调用,见于 los_hw_exc.s    / BLX    OsArmA32SyscallHandle

SYSCALL是产生系统调用时触发的信号,R7寄存器存放具体的系统调用ID,也叫系统调用号

regs:参数就是所有寄存器

注意:本函数在用户态和内核态下都可能被调用到

//MOV     R0, SP @获取SP值,R0将作为OsArmA32SyscallHandle的参数

******************************************************************/

LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 *OsArmA32SyscallHandle(UINT32 *regs)

{

UINT32 ret;

UINT8 nArgs;

UINTPTR handle;

UINT32 cmd = regs[REG_R7];//C7寄存器记录了触发了具体哪个系统调用

if (cmd >= SYS_CALL_NUM) {//系统调用的总数

PRINT_ERR("Syscall ID: error %d !!!\n", cmd);

return regs;

}

if (cmd == __NR_sigreturn) {//收到 __NR_sigreturn 信号

OsRestorSignalContext(regs);//恢复信号上下文

return regs;

}

handle = g_syscallHandle[cmd];//拿到系统调用的注册函数,类似 SysRead

nArgs = g_syscallNArgs[cmd / NARG_PER_BYTE]; /* 4bit per nargs */

nArgs = (cmd & 1) ? (nArgs >> NARG_BITS) : (nArgs & NARG_MASK);//获取参数个数

if ((handle == 0) || (nArgs > ARG_NUM_7)) {//系统调用必须有参数且参数不能大于8个

PRINT_ERR("Unsupport syscall ID: %d nArgs: %d\n", cmd, nArgs);

regs[REG_R0] = -ENOSYS;

return regs;

}

//regs[0-6] 记录系统调用的参数,这也是由R7寄存器保存系统调用号的原因

switch (nArgs) {//参数的个数

case ARG_NUM_0:

case ARG_NUM_1:

ret = (*(SyscallFun1)handle)(regs[REG_R0]);//执行系统调用,类似 SysUnlink(pathname);

break;

case ARG_NUM_2://如何是两个参数的系统调用,这里传三个参数也没有问题,因被调用函数不会去取用R2值

case ARG_NUM_3:

ret = (*(SyscallFun3)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2]);//类似 SysExecve(fileName, argv, envp);

break;

case ARG_NUM_4:

case ARG_NUM_5:

ret = (*(SyscallFun5)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2], regs[REG_R3],

regs[REG_R4]);

break;

default://7个参数的情况

ret = (*(SyscallFun7)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2], regs[REG_R3],

regs[REG_R4], regs[REG_R5], regs[REG_R6]);

}

regs[REG_R0] = ret;//R0保存系统调用返回值

OsSaveSignalContext(regs);//保存信号上下文现场

/* Return the last value of curent_regs.  This supports context switches on return from the exception.

* That capability is only used with theSYS_context_switch system call.

*/

return regs;//返回寄存器的值

}

解读参数是regs对应的就是R0~Rn

R7保存的是系统调用号,R0~R3保存的是 SysMqOpen的四个参数

g_syscallHandle[cmd]就能查询到 SYSCALL_HAND_DEF(__NR_mq_open, SysMqOpen, mqd_t, ARG_NUM_4)注册时对应的 SysMqOpen函数

*(SyscallFun5)handle此时就是SysMqOpen

注意看 SysMqOpen 的参数是最开始的 main函数中的 mqdes = mq_open(mqname, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR, &attr); 由此完成了真正系统调用的过程

7. SysMqOpenmqd_t SysMqOpen(const char *mqName, int openFlag, mode_t mode, struct mq_attr *attr)

{

mqd_t ret;

int retValue;

char kMqName[PATH_MAX + 1] = { 0 };

retValue = LOS_StrncpyFromUser(kMqName, mqName, PATH_MAX);

if (retValue 

return retValue;

}

ret = mq_open(kMqName, openFlag, mode, attr);//一个消息队列可以有多个进程向它读写消息

if (ret == -1) {

return (mqd_t)-get_errno();

}

return ret;

}

解读此处的mq_open和main函数的mq_open其实是两个函数体实现.一个是给应用层的调用,一个是内核层使用,只是名字一样而已.

SysMqOpen是返回到 OsArmA32SyscallHandle regs[REG_R0] = ret;

OsArmA32SyscallHandle再返回到 _osExceptSwiHdl

_osExceptSwiHdl后面的代码是用于恢复用户模式现场和SPSR,PC 等寄存器.

以上为鸿蒙系统调用的整个过程.

关于寄存器(R0~R15)在每种模式下的使用方式,后续将由其他篇详细说明,敬请关注.

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