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操作系统(系统调用)

news 来源：原创 2025/7/28 17:10:24

一. DPL目标描述符特权级，CPL当前描述符特权级

DPL和CPL用于区分内核态和用户态。内核态的DPL为0，用户态的DPL为3。注意每个段寄存器都有DPL的数据段。当从用户态切换到内核态时需要把段寄存器的DPL也设置为0。
CPL从当前段CS寄存器的低三位读出，DPL根据将要访问段的地址从GDT或LDT表中读出。每次切换 CS 时，新的段选择子会从 GDT 或 LDT 中读取段描述符，经过权限检查后加载到 CS 寄存器，并更新 CPL。
DPL或CPL越小优先级越高。所以DPL>=CPL时可以进行段间访问。

4. 那么如何通过系统调用访问内核函数呢？

（1）因为中断可以进行系统调用，所以如果设置某个中断的DPL=3,那用户就可以通过该中断的中断处理函数进行系统调用了，这个中断就是int0x80。中断向量表初始化中断的DPL
（2）进入中断处理函数不代表就进入了内核态，还需要在中断函数中对用户态的ds,es等寄存器的DPL都切换为0。

DPL设置在（1）GDT，LDT表中，用于区分内核代码和用户代码。（2）IDT表中，来设置中断的访问权限，比如在中断初始化时调用了中断门描述符宏_set_gate设置DPL为3，便于用户通过中断获得权限进行系统调用，如图：

#define set_system_gate(n,addr) \_set_gate(&idt[n],15,3,addr)

二. GDT(global Descriptor Table)和LDT表

GDT和LDT表中包含了代码段，数据段地址，以及其对应的DPL等信息。
GDT，LDT，IDT都是在head.s被分配内存空间。在init/main.c中被初始化。
GDT，LDT表中包含了DPL，每次切换 CS 时，新的段选择子会从 GDT 或 LDT 中读取段描述符，经过权限检查后加载到 CS 寄存器，并更新 CPL。

三. IDT中断向量表(Interrupt Descriptor Table)

IDT表的作用
IDT表中绑定了中断号和其中断处理函数，当触发该中断时就会调用绑定的中断函数
IDT表的初始化过程
在系统启动时在head.s就为IDT分配了空间，然后在init/main.c中通过调用各种init函数进行初始化(及为每个中断绑定对应的中断函数)，如图

void main(void)
{trap_init();      // 异常中断blk_dev_init();   // 块设备chr_dev_init();   // 字符设备tty_init();       // 终端（含键盘）sched_init();     // 调度（含时钟和系统调用）hd_init();        // 硬盘floppy_init();    // 软盘// ...
}

其中系统调用中断初始化在sched_init(),绑定中断处理程序system_call的地址。每个初始化函数中其实都是在asm/system.h定义的宏展开，如图：

#define _set_gate(gate_addr,type,dpl,addr) \
__asm__ ("movw %%dx,%%ax\n\t" \"movw %0,%%dx\n\t" \"movl %%eax,%1\n\t" \"movl %%edx,%2" \: \: "i" ((short) (0x8000+(dpl<<13)+(type<<8))), \"o" (*((char *) (gate_addr))), \"o" (*(4+(char *) (gate_addr))), \"d" ((char *) (addr)),"a" (0x00080000))#define set_system_gate(n,addr) \   /*set_system_gate没有实际的宏展开，只是作为接口。_set_gate才							
是起作用的宏展开。n为中断函数号0x80*/_set_gate(&idt[n],15,3,addr) //通过中断门描述符宏设置中断的DPL

四. 系统调用的过程

对用户函数根据头文件中的_syscall进行宏展开

比如用户调用用户函数int alarm(int sec);
#include <unistd.h>
_syscall1(int, alarm, int, sec);
int main{int sec;alarm(sec);
}/*根据头文件中定义的宏进行展开*/#define _syscall1(type,name,atype,a) \
type name(atype a) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \: "=a" (__res) \: "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a))); \
if (__res >= 0) \return (type) __res; \
errno = -__res; \
return -1; \
}

准备通过_syscall0指定的中断int 0x80，过渡到内核态(使用int 0x80中断连接用户和内核)CPL=3 DPL=0
触发int 0x80中断指令，查询构建好的IDT表，找到对应的中断处理函数。这里就找到了system_call.s函数。

（1）在system_call.s中判断函数号是否越界。
在这里插入图片描述
（2）

/*最开始进入中断函数之前，应该先将用户态原cs，ss,sp等地址入到内核栈*/
cs用户态地址段，ss用户态栈段，sp用户态栈顶指针。系统通过ss:sp对栈顶进行寻址。
这里没有显示的进行入栈，是因为触发int中断cpu会自动做这些基本的入栈操作。
结构如上图：
栈从高地址向低地址生长，同时因为触发int 0x10中断后就进入了内核态，所以此时入的内核栈，也使用的内核sp。/*入栈保护当前用段寄存器,保证之后能回到当前段继续执行*/push %dspush %es push %fs
/*ds和es的DPL也设置为内核态0*/movl $0x10,%edx		// %edx和%dx是同一个寄存器，只不过%edx是在32位情况下赋值。mov %dx,%dsmov %dx,%es
/*让fs指向用户空间，因为DPL(fs)=3>0，保证了内核可通过fs访问用户数据*/movl $0x17,%edx		# 0x17低三位代表用户数据段的DPL=3mov %dx,%fs
/*通过sys.h中的sys_call_table函数表，找到函数地址，并使用call调用*/
call sys_call_table(,%eax,4)/*最后执行完系统调用后，判断进程状态是否可以执行，因为进程此时可能缺失资源会变为阻塞。还要判断是否
当前进程还有剩余时间片。以上的信息都从PCB中获取，如果不满足则执行reschedule把当前位置入栈，执行其他进程*/
reschedule:pushl $ret_from_sys_calljmp schedulecmpl $0,state(%eax)		# PCB中的statejne reschedulecmpl $0,counter(%eax)	# PCB中的counterje reschedule

五. PCB和TSS

PCB部分代码

// sched.h
struct task_struct {
/* these are hardcoded - don't touch */long state;	/* 进程状态-1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */long counter; /*进程剩余时间片*/long priority; /*进程优先级*/

TSS(TSS用于任务切换)

每个用户态进程都有自己的内核栈和对应的内核态栈指针esp0和内核态栈段ss。这是进程的双栈结构。这样保证了多个进程并发进入内核态时所处的地址都不同，执行时不会干扰。
进程双栈结构图
（1）PCB结构体指针指向PCB结构体首地址。
（2）两个栈指针分别指向两个不同的栈空间。

TSS部分代码：

struct tss_struct {long back_link;              /* 16 high bits zero */long esp0;                   /* 内核栈指针 */long ss0;                    /* 内核栈段 */long esp1;                   /* 用户栈指针 */long ss1;                    /* 用户栈段 */long eflags;                 /* 标志寄存器 */long eax,ecx,edx,ebx;       /* 通用寄存器 */long esp;                    /* 栈指针 */long ebp;                    /* 基址指针 */long esi;                    /* 源索引 */long edi;                    /* 目的索引 */long es;                     /* 段寄存器 */long cs;                     /* 代码段 */long ss;                     /* 栈段 */long ds;                     /* 数据段 */long fs;                     /* 附加段 */
};

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