HIT-OSLab2

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实验目标：在 Linux-0.11 上添加两个系统调用：（原始只有72个系统调用）

1	int iam(const char * name);

将 name 中存放的字符串拷贝到内核中并保存下来，要求 name 的长度不能超过 23 个字符，若超过了，返回 -1 并置 errno 为 EINVAL，如果没有超过就返回拷贝的字符个数

1	int whoami(char * name,unsigned int size);

将内核中存放的字符串（由 iam 拷贝进去的）重新复制到 name 中，size 是指 name 指向的内存空间允许存放的最大长度，如果 size 小于需要的空间，就返回 -1，并置 errno 为 EINVAL，否则返回拷贝的字节数

实验过程

系统调用执行的详细过程如下：

调用中断处理程序：当进程需要执行系统调用时，进程会主动调用中断处理程序 interrupt handler
保存现场信息：中断处理程序会保存当前进程的寄存器值到堆栈中，以便在系统调用结束后恢复进程状态
切换控制权：将 CPU 控制权交给操作系统,操作系统开始处理系统调用请求
解析系统调用请求：操作系统根据系统调用请求的代码指针等信息，解析出需要调用的系统服务函数的地址
调用系统服务函数：操作系统将解析出的系统服务函数地址作为参数，调用系统服务函数执行系统调用请求
处理系统调用结果：系统服务函数处理完系统调用请求后，会将结果返回给操作系统
恢复现场信息：操作系统将保存的寄存器值从堆栈中取出，恢复当前进程的原始状态
切换控制权：操作系统将 CPU 控制权还给进程，进程继续执行

在代码层中的实现如下：

把系统调用的编号存入 ax
把函数参数存入其他通用寄存器
触发 0x80 中断（int 0x80）

在 linux-0.11 中，系统调用的源码存放在两处地方：

linux-0.11/lib/
linux-0.11/kernel/（实验要求我们把文件放入这里）

在系统调用中用户态程序不能直接和内核态程序交换数据，必须使用内核提供的 API，在 linux-0.11 中的 API 如下：

static inline unsigned char get_fs_byte(const char * addr)
{
	unsigned register char _v;

	__asm__ ("movb %%fs:%1,%0":"=r" (_v):"m" (*addr));
	return _v;
}

static inline unsigned short get_fs_word(const unsigned short *addr)
{
	unsigned short _v;

	__asm__ ("movw %%fs:%1,%0":"=r" (_v):"m" (*addr));
	return _v;
}

static inline unsigned long get_fs_long(const unsigned long *addr)
{
	unsigned long _v;

	__asm__ ("movl %%fs:%1,%0":"=r" (_v):"m" (*addr)); \
	return _v;
}

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

static inline void put_fs_word(short val,short * addr)
{
__asm__ ("movw %0,%%fs:%1"::"r" (val),"m" (*addr));
}

static inline void put_fs_long(unsigned long val,unsigned long * addr)
{
__asm__ ("movl %0,%%fs:%1"::"r" (val),"m" (*addr));
}

/*
 * Someone who knows GNU asm better than I should double check the followig.
 * It seems to work, but I don't know if I'm doing something subtly wrong.
 * --- TYT, 11/24/91
 * [ nothing wrong here, Linus ]
 */

static inline unsigned long get_fs() 
{
	unsigned short _v;
	__asm__("mov %%fs,%%ax":"=a" (_v):);
	return _v;
}

static inline unsigned long get_ds() 
{
	unsigned short _v;
	__asm__("mov %%ds,%%ax":"=a" (_v):);
	return _v;
}

static inline void set_fs(unsigned long val)
{
	__asm__("mov %0,%%fs"::"a" ((unsigned short) val));
}

编写 sys_iam 和 sys_whoami 的代码：

#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <asm/segment.h>

char msg[24];

int sys_iam(const char *name){
    char tmp[24];
    int i;
    for(i=0;i<24;i++){
        tmp[i] = get_fs_byte(name+i);
        if(tmp[i] == '\0')
            break;
    }
    if(i>=23){
        return -1;
    }
    strcpy(msg,tmp);
    return i;
}

int sys_whoami(char *name,unsigned int size){
    int len;
    int i;
    len = strlen(msg);
    if(len > size){
        return -1;
    }
    for(i=0;i<len;i++){
        put_fs_byte(msg[i],name+i);
        if(msg[i] == '\0')
            break;
    }
    return i;
}

系统调用号在 linux-0.11/include/unistd.h 文件中，我们可以在其末尾添加新的系统调用号：

1 2	#define __NR_iam 72 #define __NR_woiam 73

需要注意的是：这里同时需要修改 hdc-0.11.img 中的 hdc/usr/include/unistd.h 文件，如果想在虚拟机中使用 gcc 编译的话，会导入虚拟机 hdc/usr/include/ 中的文件为头文件

系统调用总数量则记录在 linux-0.11/kernel/system_call.s 中，将其改为74：

1	nr_system_calls = 74

接下来需要在系统调用中添加我们实现的程序，为此我们需要先分析一下系统调用的代码

在 linux-0.11 中，system_call.s 文件为 Linux 内核中所有系统调用的实现提供了框架，主要包含以下内容：

系统调用函数原型声明：定义了每个系统调用的函数原型，以便其他汇编文件可以方便地调用这些函数
系统调用处理函数：定义了实际处理每个系统调用的函数，这些函数由内核驱动，并通过中断处理机制执行
系统调用参数转换函数：在调用用户空间应用程序之前，系统调用参数需要进行转换，这些函数负责将内核提供的参数转换为应用程序需要的格式

所有系统调用的入口如下：

system_call:
	cmpl $nr_system_calls-1,%eax	# 系统调用号不存在
	ja bad_sys_call
	push %ds					# 将段寄存器和目的寄存器压栈保存
	push %es
	push %fs
	pushl %edx
	pushl %ecx		# push %ebx,%ecx,%edx as parameters
	pushl %ebx		# to the system call
	movl $0x10,%edx		# set up ds,es to kernel space
	mov %dx,%ds
	mov %dx,%es
	movl $0x17,%edx		# fs points to local data space
	mov %dx,%fs
	call sys_call_table(,%eax,4)	# 执行系统调用

在 sys_call_table 中记录了所有的系统调用，其位置在 linux-0.11/include/linux/sys.h：

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

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 };

在其中添加 sys_iam，sys_whoami 即可完成注册

最后需要在 makefile 中添加 sys_iam，sys_whoami 的链接，不然就会引发如下报错：

1
2
3

ld: kernel/kernel.o:(.data+0x120): undefined reference to `sys_iam'
ld: kernel/kernel.o:(.data+0x124): undefined reference to `sys_whoami'
make: *** [Makefile:67：tools/system] 错误 1

修改 makefile：

1
2
3

OBJS  = sched.o system_call.o traps.o asm.o fork.o \
	panic.o printk.o vsprintf.o sys.o exit.o \
	signal.o mktime.o whoami.o

1 2	### Dependencies: whoami.s whoami.o: whoami.c ../include/linux/kernel.h ../include/unistd.h

为了测试系统调用，我们可以将 hdc-0.11.img 挂载（使用 mount-hdc 脚本），然后再往其中写入测试脚本的代码

不过在此之前我们需要先了解一下 _syscallN 宏：

#define _syscall0(type,name) \
type name(void) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
	: "=a" (__res) \
	: "0" (__NR_##name)); \
if (__res >= 0) \
	return (type) __res; \
errno = -__res; \
return -1; \
}

#define _syscall3(type,name,atype,a,btype,b,ctype,c) \
type name(atype a,btype b,ctype c) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
	: "=a" (__res) \
	: "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a)),"c" ((long)(b)),"d" ((long)(c))); \
if (__res>=0) \
	return (type) __res; \
errno=-__res; \
return -1; \
}

#endif /* __LIBRARY__ */

N 是一个整数（表示系统调用的编号），... 是一个可变参数列表（用于传递系统调用的参数），## 是一个 C 语言宏展开的符号（##name 将被替换 name）
"=a" 用于指定返回寄存器 __res 的输出模式（返回寄存器 __res 用于存储系统调用的返回值），这段代码的作用是：在执行完汇编代码后应该将结果存储在 eax 寄存器中
将系统调用号 __NR_##name 和参数 a b c 压入栈中，最后执行 int 0x80

在 linux-0.11 上函数调用和系统调用的底层代码是不同的，_syscallN 宏的出现可以使我们以函数调用的方式去写系统调用的C代码

下面是利用 _syscallN 执行系统调用的测试脚本：

#include <errno.h>
#define __LIBRARY__
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

_syscall2(int,whoami,char *,name,unsigned int,size)

int main(int argc, char *argv[]){
    char name[24] = {0};
    int re = whoami(name,24);
    if(re != -1){
		printf("output successfully!\n",name);
		printf("my name is %s\n",name);
	}
    return 0;
}

#include <errno.h>
#define __LIBRARY__
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

_syscall1(int,iam,const char *,name)

int main(int argc, char **argv){
    char name[24] = "iam yhellow";
    int re = iam(name);
    if(re != -1){
        printf("input successfully!\n");
    }
    return 0;
}

使用如下命令进行编译：（最好在 linux-0.11 中进行编译）

1 2	gcc -o whoami whoami.c -Wall gcc -o iam iam.c -Wall

最终效果如下：