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RISC-V Syscall 系列1:什么是 Syscall ?

Chen Chen 创作于 2022/08/25

Author: envestcc chen1233216@hotmail.com Date: 2022/06/14 Revisor: walimis、Falcon Project: RISC-V Linux 内核剖析 Sponsor: PLCT Lab, ISCAS

什么是 Syscall ?

Linux_API (图片源自 wikipedia)

Syscall 又称为系统调用,它是操作系统内核给用户态程序提供的一组 API,可以用来访问系统资源和内核提供的服务。比如用户态程序申请内存、读写文件等都需要通过 Syscall 完成。

通过 Linux 源码里可以看到(include/linux/syscalls.h),大约有 400 多个 Syscall。其中一部分是兼容 POSIX 标准,另一些是 Linux 特有的。

如何调用 Syscall ?

应用程序想要调用 Syscall 有两种方式,分别是直接调用和使用 C 标准库。

直接调用

下面我们通过一段汇编代码来看看如何直接调用 Syscall。

.data

msg:
    .ascii "Hello, world!\n"

.text
    .global _start

_start:
    li a7, 64    # linux write syscall
    li a0, 1     # stdout
    la a1, msg   # address of string
    li a2, 14    # length of string
    ecall        # call linux syscall

    li a7, 93    # linux exit syscall
    li a0, 0     # return value
    ecall        # call linux syscall

上面的代码的功能是通过系统调用往标准输出上打印一串字符。

$ cat test.S
.data

msg:
    .ascii "Hello, world!\n"

.text
    .global _start

_start:
    li a7, 64
    li a0, 1
    la a1, msg
    li a2, 14
    ecall

    li a7, 93
    li a0, 0
    ecall
$ riscv64-linux-gnu-gcc -c test.S
$ riscv64-linux-gnu-ld -o test test.o
$ qemu-riscv64 test
Hello, world!


RISC-V 中通过 ecall 指令进行 Syscall 的调用。 ecall 指令会将 CPU 从用户态转换到内核态,并跳转到 Syscall 的入口处。通过 a7 寄存器来标识是哪个 Syscall。至于调用 Syscall 要传递的参数则可以依次使用 a0-a5 这 6 个寄存器来存储。

ecall 指令之前叫 scall,包括现在 Linux 源码里都用的是 scall,后来改为了 ecall。原因是该指令不仅可以用来进行系统调用,还可以提供更通用化的功能。

write 的系统调用号为 64,所以上述代码里将 64 存储到 a7 中。write 系统调用的参数有 3 个,第一个是文件描述符,第二个是要打印的字符串地址,第三个是字符串的长度,上述代码中将这三个参数分别存入到 a0、a1、a2 这三个寄存器中。

系统调用号列表可以在 Linux 源码中进行查看:include/uapi/asm-generic/unistd.h。

#define __NR_write 64

#define __NR_exit 93

系统调用函数声明源码位置:include/linux/syscalls.h

asmlinkage long sys_write(unsigned int fd, const char __user *buf, size_t count);

asmlinkage long sys_exit(int error_code);

C 标准库

直接使用汇编调用 Syscall 比较繁琐也不安全,C 标准库提供了对 Syscall 的封装。

GNU C Library (图片源自 wikipedia)

下面用一段 C 代码例子看看如何使用 Syscall ,这种方式大家都比较熟悉。

#include <unistd.h>

int main() {
  write(1, "Hello, world!\n", 14);
  return 0;
}

使用下面的命令进行测试即可输出结果。

$ cat testc.c
#include <unistd.h>

int main() {

  write(1, "Hello, world!\n", 14);
  return 0;
}
$ riscv64-linux-gnu-gcc -static testc.c -o testc
$ qemu-riscv64 testc
Hello, world!

总结

本篇文章主要从 Syscall 使用者的角度,阐述了什么是 Syscall。然后以实际代码为例,展示了在 RISC-V 架构下应用程序如何使用汇编代码和 C 标准库两种方式调用 Syscall 。

系列文章预告:RISC-V Syscall 系列2: Syscall 过程分析

参考资料



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