第9課：系統調用和可執行程序    下載源代碼

聲明：轉載請保留：

譯者：http://m.shnenglu.com/jinglexy

原作者：xiaoming.mo at skelix dot org

MSN & Email: jinglexy at yahoo dot com dot cn

目標

這一節中，我們來實現從磁盤加載應用程序并執行它，以及給這個應用程序系統調用的能力。

系統調用

經過前面一系列的課程，我們基本上建立了一個OS的各個簡單組件，確實非常簡單，沒有什么復雜的算法和架構。現在再來實現一個簡單的shell控制，一般的shell處理流程是：getty()打印登錄提示符，等待用戶login，然后執行bash。這里，我當然不想實現一個shell，也不想寫什么getty。這一節中，skelix將從磁盤加載一個可執行程序并執行它，就像常用的*nix OS一樣。

由于slelix的虛擬內存管理部分還沒有做好，所有的任務共享同一個地址空間。我們采取一個簡單的方法，程序從磁盤中加載到地址0x100000，放到"/"根目錄下面。

要注意的是，用戶任務不能訪問內核地址空間，所以一些函數如kprintf, print_c等也不能再使用了（實際上是可以的，因為我們沒有實現虛擬內存管理，這里先假定不能使用它們）。大多數的操作系統都提供了一些API或系統調用來執行這些函數。現在先添加一個系統調用：

09/isr.s

sys_print:
        pushl    %esi            # 背景顏色
        pushl    %edi            # 前景顏色
        pushl    %ebx            # 要打印的字符
        cli                      # 中斷門會字節關掉EFLAGS 的IF位，系統調用卻不行

        call    print_c
        sti
        addl    $12,    %esp
        ret

恨簡單，不是嗎？上面系統調用有三個參數，esi是背景顏色，edi是前景顏色，ebx是要打印的字符。這個系統調用只打印一個字符，起始就是用戶程序對內核print_c函數的一個wrapper。

理論上說，用戶任務不能直接使用print_c函數，也不應當知道有這個函數存在。唯一的方法就是使用系統調用，以此提供給用戶一個可用的接口。DOS 操作系統提供了int 0x21作為系統服務，linux 提供int 0x80系統調用，本節中模仿linux在IDT 中添加一個號碼0x80 的系統調用。
現在我們只用到了IDT 中斷的34項，所以其余的項都可以拿來使用，但是我們只需要0x80已足夠。在IDT中建立一個386 的陷阱門就行了，陷阱門和中斷門非常類似，只是E 位的類型用8替代，并且DPL 特權級設置為3。

09/init.c

static void
sys_call_install(void) {
    unsigned long long sys_call_entry = 0x0000ef0000080000ULL

                             | ((unsigned long long)CODE_SEL<<16);
    sys_call_entry |= ((unsigned long long)sys_call<<32)

                             & 0xffff000000000000ULL;
    sys_call_entry |= ((unsigned long long)sys_call) & 0xffff;
    idt[SYS_CALL] = sys_call_entry;
}

宏SYS_CALL 值為0x80。

現在我們來看下0x80的陷阱門處理例程：
09/isr.s

sys_call:
        cmpl    $1,        %eax
        jb        1f
        iret
1:
        pushal
        call    *sys_call_table(, %eax, 4)
        popal
        iret

我盡量做到簡單，雖然很多東西沒有考慮周全，這樣做可以降低學習成本。該例程判斷系統調用號，即存儲在eax中的值，然后查找函數表：sys_call_table。

函數表定義如下：
09/syscall.c

void (*sys_call_table[VALID_SYSCALL])(void) = {sys_print};

VALID_SYSCALL 宏定義為1, of course

系統調用測試函數
現在我們來做一個用戶任務的系統調用測試函數：
09/color.c

void
color(void) {
    int i, j;
    for (i=0; i<16; ++i)
        for (j=0; j<16; ++j)
            __asm__ ("int    $0x80"::"S"(i),"D"(j),"b"('X'),"a"(0));
    for (;;)
        ;
}

按例，最簡單實現。這個函數打印一些“X”字符，以不同的前景和背景顏色。還有一個問題，怎樣把它存儲在磁盤上呢，在沒有shell的情況下（否則可以用cp來拷貝了）。解決的方法是另外寫一個程序把程序直接寫到磁盤上：實現一個ghex.c程序來把color可執行程序的內容打印出來，在內核里面再把可執行文件寫到磁盤上。

Makefile也得修改一下：
09/Makefile

all: final.img color

color: color.o
    ${LD} --oformat binary -N -e color -Ttext 0x100000 -o color $<

上面的命令把color.o文件生成一個二進制可執行文件，入口點在color函數，代碼段邏輯地址從0x100000開始。

（color.c由主機上的gcc編譯器編譯，ld鏈接）

現在把這些二進制數據（顯示命令是：./ghex ../color）寫到磁盤上：
09/fs.c

void
install_color(void) {
    struct SUPER_BLOCK sb;
    char sect[512] = {0};
    struct DIR_ENTRY *de = NULL;
    int inode = -1;
    struct INODE clnode;
    unsigned int blk = 0;
    unsigned char color[] =
{0x57,0x56,0x53,0x83,0xec,0x08,0xc7,0x44,0x24,0x04,0x00,0x00,
 0x00,0x00,0x83,0x7c,0x24,0x04,0x0f,0x7f,0x2e,0xc7,0x04,0x24,
 0x00,0x00,0x00,0x00,0x83,0x3c,0x24,0x0f,0x7f,0x19,0x8b,0x74,
 0x24,0x04,0x8b,0x3c,0x24,0xbb,0x58,0x00,0x00,0x00,0xb8,0x00,
 0x00,0x00,0x00,0xcd,0x80,0x89,0xe0,0xff,0x00,0xeb,0xe1,0x8d,
 0x44,0x24,0x04,0xff,0x00,0xeb,0xcb,0xeb,0xfe};

    sb.sb_start = *(unsigned int *)(HD0_ADDR);
    hd_rw(ABS_SUPER_BLK(sb), HD_READ, 1, sect);
    memcpy(&sb, sect, sizeof(struct SUPER_BLOCK));

    inode = alloc_inode(&sb);
    assert(inode > 0);
    blk = alloc_blk(&sb);
    assert(blk != 0);
    clnode.i_block[0] = blk;
    hd_rw(blk, HD_WRITE, 1, color);
    clnode.i_mode = FT_NML;
    clnode.i_size = sizeof color;
    iput(&sb, &clnode, inode);

    // 為color程序分配新的inode節點和塊

    hd_rw(iroot.i_block[0], HD_READ, 1, sect);
    de = &((struct DIR_ENTRY *)sect)[2];
    strcpy(de->de_name, "color");
    de->de_inode = inode;
    hd_rw(iroot.i_block[0], HD_WRITE, 1, sect);

    // 把color程序放到根目錄"/"下面

    iget(&sb, &iroot, 0);
    iroot.i_size = 3*sizeof(struct DIR_ENTRY);
    iput(&sb, &iroot, 0);
    // 搞定
}

// color程序已經寫到磁盤上了，再把它加載到內存地址0x100000
09/fs.c

void
load_color(void) {
    struct INODE inode;
    struct SUPER_BLOCK sb;
    char sect[512] = {0};

    sb.sb_start = *(unsigned int *)(HD0_ADDR);
    hd_rw(ABS_SUPER_BLK(sb), HD_READ, 1, sect);
    memcpy(&sb, sect, sizeof(struct SUPER_BLOCK));
    iget(&sb, &inode, 1);

    /* 只是簡單的把color加載到虛擬地址0x100000（也是物理地址0x100000） */
    hd_rw(inode.i_block[0], HD_READ, 1, (void *)0x100000);
}

還記得以前運行的task1_run 和task2_run這兩個任務嗎，它們只是做一些輪流在屏幕上打印字符的無聊工作。我們把task1換成執行磁盤中的color程序：
09/init.c

void
do_task1(void) {
    __asm__ ("incb 0xb8000+160*24+2");
    load_color();
    __asm__ ("jmp 0x100000");
}

最后在check_root()函數中添加一些安裝函數：
09/fs.c

    if (! testb(sect, 0)) {
        kprintf(KPL_DUMP, "/ has not been created, creating....\t\t\t\t\t  ");
        if (alloc_inode(&sb) != 0) {
            kprintf(KPL_PANIC, "\n/ must be inode 0!!!\n");
            halt();
        }
        iroot.i_block[0] = alloc_blk(&sb);
        iput(&sb, &iroot, 0);
       
        hd_rw(iroot.i_block[0], HD_READ, 1, sect);
        de = (struct DIR_ENTRY *)sect;
        strcpy(de->de_name, ".");
        de->de_inode = 0;
        ++de;
        strcpy(de->de_name, "..");
        de->de_inode = -1;
        hd_rw(iroot.i_block[0], HD_WRITE, 1, sect);
        kprintf(KPL_DUMP, "[DONE]");
        if (iroot.i_size == 2*sizeof(struct DIR_ENTRY))
            install_color();
    }

編譯，運行一下。如果一起正常的話，應該是color任務打印一系列的彩色字符。很有成就感吧：）

到此為止，這一系列的課程就結束了，大家可以繼續深入下去，linux內核是一個值得學習的好kernel，

而且也有一些較好的書籍，如情景分析，ULK2，In A Nut Shell等。

學習是一件愉快的事情，當然也少不了挫折和煎熬。態度才是第一位，祝大家進步：）

                                    丁亥年四月廿四       于上海體育館

                                    http://m.shnenglu.com/jinglexy

                                    天衣有縫