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系统调用是操作系统为3特权级任务提供服务的一种手段。在32位操作系统中,我们通过中断实现了系统调用。由于系统调用是一个使用非常频繁的机制,且中断也不是专门为系统调用设计的,因此,64位CPU提供了系统调用的专用机制:快速系统调用.
快速系统调用由专用的syscall指令发起,并由专用的sysret指令返回。syscall必须从3特权级转移到0特权级,sysret必须从0特权级返回到3特权级。快速系统调用全程使用寄存器传参,并且系统调用函数的cs:rip是预设好的,因此,syscall/sysret均不需要参数.
综上,快速系统调用的整套机制都是非常固定的,这就带来了高效率.
在使用快速系统调用之前,需要先安装好快速系统调用所需的组件,这涉及到4个MSR.
IA32_EFER
快速系统调用这个功能在初始状态下是关闭的,其开关位于IA32_EFER的第0位。这个MSR我们已经见过了,它的编号为0xc0000080.
IA32_STAR
这个MSR的低32位是保留位;第32~47位用于设定syscall使用的0特权级段选择子;第48~63位用于设定sysret使用的3特权级段选择子.
注意,这里没有说设定的是"代码段选择子",而仅仅是"段选择子",这是因为选择子的设定有一套比较奇怪的定义:
sysret
时,其到底选择哪个代码段呢?这个问题将在下文中讨论段选择子是描述符索引值左移3位得到的,因此加8即为GDT中的下一个描述符。也就是说,第32~47位设定的是两个连续的段描述符中的第一个;第48~63位设定的是三个连续的段描述符中的第一个。不过,由于我们的操作系统从不使用兼容模式代码段,因此在GDT中并没有定义这个描述符.
这个MSR的编号为0xc0000081.
IA32_LSTAR
这个MSR用于设定系统调用函数的地址,其编号为0xc0000082.
IA32_FMASK
这个MSR用于设定RFLAGS屏蔽掩码。具体来说,当执行syscall时,rflags会变成这样:rflags &= ~IA32_FMASK。在我们的操作系统中,这个MSR用于屏蔽IF位,屏蔽掩码为0x200.
这个MSR的编号为0xc0000084.
syscall
的执行细节当执行syscall时,CPU会执行以下操作:
rcx = rip
r11 = rflags
cs = IA32_STAR[32:47]
rip = IA32_LSTAR
rflags &= ~IA32_FMASK
也就是说,rcx和r11会被syscall使用,它们不能用于传参。此外,syscall不会对rsp做任何处理,这是一个很重要的问题,我们将在下文中讨论.
sysret
的执行细节当执行sysret时,CPU会执行以下操作:
rip = rcx
rflags = r11
sysret
没有64位前缀,则:cs = IA32_STAR[48:63]
;否则:cs = IA32_STAR[48:63] + 16
也就是说:
rcx
与r11
sysret
需要具有64位前缀上述第1点将在下文中讨论;第2点在nasm中可使用o64 sysret实现.
请看本章代码23/Syscall.h.
第3行,声明了syscallInit函数。这个函数是用汇编语言实现的.
接下来,请看本章代码23/Syscall.s.
第15~18行,将IA32_EFER的第0位置1,打开快速系统调用功能.
第20~23行,设定IA32_STAR。在GDT中,3号描述符是0特权级代码段,4号描述符是0特权级数据段,这两个段描述符对应于IA32_STAR的第32~47位;5号描述符是3特权级数据段,6号描述符是3特权级代码段,没有兼容模式代码段,因此,这里应强行将4号描述符安装到IA32_STAR的第48~63位,使得5号和6号描述符处于正确的位置.
第25~29行,将系统调用函数syscallHandle的地址安装到IA32_LSTAR.
第31~34行,将屏蔽掩码0x200安装到IA32_FMASK.
至此,快速系统调用准备完毕.
syscallHandle函数为系统调用函数。在32位操作系统中,系统调用由中断实现,中断发生时,CPU会自动切换到0特权级栈,由于0特权级栈是操作系统提供的,所以能够保证它的安全。那么,什么叫"安全的栈"?如果不切换栈,到底有什么问题?请看下例:
void test()
{
char s[] = "666";
__asm__ __volatile__("syscall");
}
将这段代码翻译成汇编语言,可以是:
test:
mov dword [rsp - 4], '666'
syscall
ret
可以发现:这个函数的rsp是没有也不需要实际减去4的,但如果将这样的rsp提供给系统调用函数使用,就是错误的,因为系统调用函数不知道栈到底应该怎么用。这就是不安全栈带来的问题,因此,在系统调用时,切换到一个安全的栈是有必要的.
然而,syscall不会自动切换栈,我们需要手动完成这个操作。0特权级栈在TSS中,TSS的地址是0xffff800000092000,但想要使用这个地址,就必须先用一个寄存器周转64位立即数。用哪个寄存器呢?无关乎ABI,似乎用哪个都不完美。此时,我们之前设定的IA32_GS_BASE派上了用场,使用gs就可以直接操作TSS了。不仅如此,我们的操作系统的TSS是延长到128字节的,104字节以后的一小段内存可用于在换栈前备份当前的rsp。至此,换栈问题就完美解决了.
第44行,将rsp备份到[TSS + 104].
第45行,切换到0特权级栈.
第47~48行,保护rcx与r11。现在的栈是安全的,可以放心使用.
第50~51行,调用rax指定的函数.
第53~54行,恢复rcx与r11.
第56行,恢复3特权级栈.
第58行,从快速系统调用返回.
第60~63行,定义了系统调用表。1号系统调用保留给后续章节使用.
接下来,请看本章代码23/Start.s.
_start函数是3特权级任务的真正入口,其用于使任务在结束后自动退出.
本章代码23/Makefile增加了Syscall.s与Start.s的编译与链接命令.
本章代码23/Kernel.c与23/Test.c测试了0与2号系统调用.
最后此篇关于一个操作系统的设计与实现——第23章快速系统调用的文章就讲到这里了,如果你想了解更多关于一个操作系统的设计与实现——第23章快速系统调用的内容请搜索CFSDN的文章或继续浏览相关文章,希望大家以后支持我的博客! 。
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