ARM Linux系统调用的原理

操作系统为在用户态运行的进程与硬件设备进行交互提供了一组接口。在应用程序和硬件之间设置一个额外层具有很多优点。首先，这使得编程更加容易，把 用户从学习硬件设备的低级编程特性中解放出来。其次，这极大地提高了系统的安全性，因为内核在试图满足某个请求之前在接口级就可以检查这种请求的正确性。 最后，更重要的是这些接口使得程序具有可移植性，因为只要内核所提供的一组接口相同，那么在任一内核之上就可以正确地编译和执行程序。

Unix系统通过向内核发出系统调用（systemcall）实现了用户态进程和硬件设备之间的大部分接口。系统调用是操作系统提供的服务，用户程序通过各种系统调用，来引用内核提供的各种服务，系统调用的执行让用户程序陷入内核，该陷入动作由swi软中断完成。

应用编程接口（API）与系统调用的不同在于，前者只是一个函数定义，说明了如何获得一个给定的服务，而后者是通过软件中断向内核发出的一个明确的 请求。POSIX标准针对API，而不针对系统调用。Unix系统给程序员提供了很多API库函数。libc的标准c库所定义的一些API引用了封装例程 （wrapper routine）(其唯一目的就是发布系统调用)。通常情况下，每个系统调用对应一个封装例程，而封装例程定义了应用程序使用的API。反之则不然，一个 API没必要对应一个特定的系统调用。从编程者的观点看，API和系统调用之间的差别是没有关系的：唯一相关的事情就是函数名、参数类型及返回代码的含 义。然而，从内核设计者的观点看，这种差别确实有关系，因为系统调用属于内核，而用户态的库函数不属于内核。

大部分封装例程返回一个整数，其值的含义依赖于相应的系统调用。返回-1通常表示内核不能满足进程的请求。系统调用处理程序的失败可能是由无效参数 引起的，也可能是因为缺乏可用资源，或硬件出了问题等等。在libc库中定义的errno变量包含特定的出错码,每个出错码定义为一个常量宏。

当用户态的进程调用一个系统调用时，CPU切换到内核态并开始执行一个内核函数。因为内核实现了很多不同的系统调用，因此进程必须传递一个名为系统 调用号（system call number）的参数来识别所需的系统调用。所有的系统调用核都返回一个整数值。这些返回值与封装例程返回值的约定是不同的。在内中，整数或0表示系统调 用成功结束，而负数表示一个出错条件。在后一种情况下，这个值就是存放在errno变量中必须返回给应用程序的负出错码。

ARM Linux系统利用SWI指令来从用户空间进入内核空间，还是先让我们了解下这个SWI指令吧。SWI指令用于产生软件中断，从而实现从用户模式到管理模 式的变换，CPSR保存到管理模式的SPSR，执行转移到SWI向量。在其他模式下也可使用SWI指令，处理器同样地切换到管理模式。指令格式如下：

SWI{cond} immed_24

其中：

immed_24 24位立即数，值为从0——16215之间的整数。

使用SWI指令时，通常使用以下两种方法进行参数传递，SWI异常处理程序可以提供相关的服务，这两种方法均是用户软件协定。

1）、指令中24位的立即数指定了用户请求的服务类型，参数通过通用寄存器传递。SWI异常处理程序要通过读取引起软件中断的SWI指令，以取得24为立即数。如：

MOV R0,#34

SWI 12

2）、指令中的24位立即数被忽略，用户请求的服务类型由寄存器R0的值决定，参数通过其他的通用寄存器传递。如：

MOV R0, #12

MOV R1, #34

SWI 0

在SWI异常处理程序中，取出SWI立即数的步骤为：首先确定引起软件中断的SWI指令是ARM指令还是Thumb指令，这可通过对SPSR访问得到；然后取得该SWI指令的地址，这可通过访问LR寄存器得到；接着读出指令，分解出立即数（低24位）。

由用户空间进入系统调用

通常情况下，我们写的用户空间应用程序都是通过封装的C lib来调用系统调用的。以0.9.30版uClibc中的open为例，来追踪一下这个封装的函数是如何一步一步的调用系统调用的。在include/fcntl.h中有定义：

#define open open64

open实际上只是open64的一个别名而已。

在libc/sysdeps/linux/common/open64.c中可以看到：

extern __typeof(open64) __libc_open64;

extern __typeof(open) __libc_open;

可见open64也只不过是__libc_open64的别名，而__libc_open64函数在同一个文件中定义：

libc_hidden_proto(__libc_open64)

int __libc_open64 (const char *file,int oflag, ...)

{

mode_t mode = 0;

if (oflag & O_CREAT)

{

va_listarg;

va_start(arg, oflag);

mode= va_arg (arg, mode_t);

va_end(arg);

}

return __libc_open(file, ofla