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c函数调用的实现

Posted on 2021-05-12

c函数的调用实现

其他需要注意的事项

参数（parameters）& 函数返回值（return values）可通过寄存器或位于内存中的栈来传递
不需要保存/恢复（save/restore）所有寄存器

x86 启动顺序

Posted on 2021-04-14 Edited on 2021-05-12 In 计算机

x86启动顺序 - 第一条指令

CS = F000H, EIP = 0000FFF0H
实地址是：
Base + EIP = FFFF0000H + 0000FFF0H = FFFFFFF0H
这是BIOS的EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）所在地
当CS被新值加载，则地址转换规则将开始起作用
通常第一条指令是一条长跳转指令(这样CS和EIP都会更新)到BIOS代码中执行

x86启动顺序 - 处于实模式的段

段选择子（Segment Selector）: CS,DS,SS,…
偏移量（Offset）: EIP

x86启动顺序 - 从BIOS到Bootloader

BIOS 加载存储设备（比如软盘、硬盘、光盘、USB盘）上的第一个扇区（主引导扇区，Master Boot Record, or MBR）的512字节到内存的0x7c00 …
然后跳转到 @ 0x7c00的第一条指令开始执行

x86启动顺序 - 从Bootloader到OS

bootloader做的事情
- 使能保护模式（protection mode）& 段机制（segment-level protection）
- 从硬盘上读取kernel in ELF 格式的ucore kernel (跟在MBR后面的扇区)并放到内存中固定位置
- 跳转到ucore OS的入口点（entry point）执行，这时控制器到了ucore OS中

x86启动顺序 - 段机制

x86启动顺序 - 使能保护模式

使能保护模式（protection mode）,bootloader/OS 要设置CR0的bit 0（PE）
段机制（segment-level protection）在保护模式下是自动使能的

x86启动顺序 - 加载ELF格式的ucore OS kernel

系统调用示例

Posted on 2021-04-12 Edited on 2021-05-06 In 计算机

系统调用示例

文件复制过程中的系统调用序列

源文件 ----------------> 目标文件
    获取输入文件名
        在屏幕显示提示
        等待并接受键盘输入
    获取输出文件名
        在屏幕显示提示
        等待并接受键盘输入
    打开输入文件
    如果文件不存在，出错并退出
    创建输出文件
    如果文件存在，出错并退出
    循环
        读取输入文件
        写入输出文件
    直到读取结束
    关闭输出文件
    在屏幕显示完成信息
    正常退出

System call numbers
#define SYS _fork 1
#define SYS _exit 2
#define SYS _wait 3
#define SYS _pipe 4
#define SYS _write 5
#define SYS _read 6
#define SYS _close 7
#define SYS _kill 8
#define SYS _exec 9
#define SYS _open 10
#define SYS _mknod 11
#define SYS _unlink 12
#define SYS _fstat 13
#define SYS _link 14
#define SYS _mkdir 15
#define SYS _chdir 16
#define SYS _dup 17
#define SYS _getpid 18
#define SYS _sbrk 19
#define SYS _sleep 20
#define SYS _procmem 21

在ucore中库函数read()的功能是读文件
- user/libs/file.h: int read(int fd, void * buf, int length)
库函数read()的参数和返回值
- int fd-文件句柄
- void * buf-数据缓冲区指针
- int length-数据缓冲区长度
- int return_value:返回读取数据长度

库韩式read()使用示例

in sfs_filetest1.c: ret = read(fd, data, len);

sfs_filetest1.c: ret = read(fd, data, len);
    ......
    8029a1:8b 45 10       mov     0x10(%ebp),%eax
    8029a4:89 44 24 08      mov     %eax,0x8(%esp)
    8029a8:8b 45 0c       mov     0xc(%ebp),%eax 
    8029ab:89 44 24 04      mov     %eax,0xc(%esp)
    8029af:8b 45 08       mov     0x8(%ebp),%eax
    8029b2:89 04 24       mov       %eax,(%esp)
    8029b5:e8 33 d8 ff ff   call 8001ed <read>    
syscall(int num, ...){
...
    asm volatile(
        "int %1;"
        : "=a" (ret)
        : "i" (T_SYSCALL),
        "a" (num),
        "d" (a[0]),
        "c" (a[1]),
        "b" (a[2]),
        "D" (a[3]),
        "S" (a[4])
        :"cc", "memory" );
    return ret;
}

ucore系统调用read(fd, buffer, length)的实现

kern/trap/trapentry.S: alltraps()
kern/trap/trap.c: trap()
tf->trapno = = T_SYSCALL
kern/syscall/syscall.c: syscall()
tf->tf_regs.reg_eax = = SYS_read
kern/syscall/syscall.c: sys_read()
从 tf->sp 获取 fd, buf, length
kern/fs/sysfile.c: sysfile_read()
读取文件
kern/trap/trapentry.S: trapret()

Hello World

Posted on 2021-04-11

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系统调用

Posted on 2021-04-09 Edited on 2021-04-13 In 计算机

标准C库的例子

应用程序调用printf()时，会触发系统调用write()。

系统调用

操作系统服务的编程接口
通常由高级语言编写（C或C++）
程序访问通常是通过高层次的API接口而不是直接进行系统调用
三种最常用的应用程序编程接口（API）
- Win32 API用于Windows
- POSIX API用于POSIX-based systems(包括UNIX, LINUX, Mac OS X的所有版本)
- Java API用于JAVA虚拟机（JVM）

系统调用的实现

每个系统调用对应一个系统调用号
- 系统调用接口根据系统调用号来维护表的索引
系统调用接口调用内核态中的系统调用功能实现，并返回系统调用的状态和结果
用户不需要知道系统调用实现
- 需要设置调用参数和获取返回结果
- 操作系统接口的细节大部分都隐藏在应用编程接口后
  - 通过运行程序支持的库来管理

函数调用和系统调用的不同处

系统调用
- INT和IRET指令用于系统调用
  - 系统调用时，堆栈切换和特权级的转换
函数调用
- CALL和RET用于常规调用
  - 常规调用时没有堆栈切换
Intel 64 and IA-32 Architecture Software Developer

中断、异常和系统调用的开销

超过函数调用
中断、异常和系统调用
- 引导机制
- 建立内核堆栈
- 验证参数
- 内核态映射到用户态地址空间
  - 跟新页面映射权限
- 内核态独立地址空间
  - TLB

中断、异常和系统调用比较

Posted on 2021-04-08 Edited on 2021-04-13 In 操作系统

背景

为什么需要中断、异常和系统调用
- 在计算机运行中，内核是被信任的第三方
- 只有内核可以执行特权指令
- 方便应用程序
中断和异常希望解决的问题
- 当外设连接计算机时，会出现什么现象？
- 当应用程序处理意想不到的行为时，会出现什么现象？
系统调用希望解决的问题
- 用户应用程序是如何得到系统服务？
- 系统调用和功能调用的不同之处是什么？

内核的进入与退出

内核的进入与退出图

中断、异常和系统调用

系统调用（system call）
- 应用程序主动向操作系统发出服务请求
异常（exception）
- 非法指令或者其他原因导致当前指令执行失败
  （如：内存出错）后的处理请求
中断（hardware interrupt）
- 来自硬件设备的处理请求

中断、异常和系统调用比较

源头
- 中断：外设
- 异常：应用程序意想不到的行为
- 系统调用：应用程序请求操作提供服务
响应方式
- 中断：异步
- 异常：异步
- 系统调用：异步或同步
处理机制
- 中断：持续进行，对用户应用程序是透明的
- 异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令
- 系统调用：等待和持续

中断处理机制

硬件处理
- 在CPU初始化时设置中断使能标志
  - 依据内部或外部事件设置中断标志
  - 依据中断向量调用相应中断服务例程
软件
- 现场保存（编译器）
- 中断服务处理（服务例程）
- 清除中断标记（服务例程）
- 现场恢复（编译器）

中断嵌套

硬件中断服务例程可被打断
- 不同硬件中断源可能硬件中断处理时出现
- 硬件中断服务例程中需要临时禁止中断请求
- 中断请求会保持到CPU做出响应
异常服务例程可被打断
- 异常服务例程执行时可能出现硬件中断
异常服务例程可嵌套
- 异常服务例程可能出现缺页

计算机启动流程

Posted on 2021-04-07 Edited on 2021-04-11 In 计算机

计算机启动流程

计算机启动流程图

CPU初始化

CPU 加电稳定后从0xffff0读第一条指令
- CS:IP = 0xf000:fff0
- 第一条指令是跳转指令
CPU初始状态为16位实模式
- CS:IP是16位寄存器
- 指令指针 PC = 16*CS + IP
- 最大地址空间是1MB

BIOS初始化过程

硬件自检POST
检测系统中内存和显卡等关键部件的存在和工作状态
查找并执行显卡等接口卡BIOS，进行设备初始化
执行系统BIOS，进行系统检测
- 检测和配置系统中安装的即插即用设备
更新CMOS中的扩展系统配置数据ESCD
按指定启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动

主引导记录MBR格式

启动代码：446字节
- 检查分区表正确性
- 加载并跳转到磁盘上的引导程序
硬盘分区表：64字节
- 描述分区状态和位置
- 每个分区描述信息占据16字节
结束标志字：2字节（55AA）
- 主引导记录的有效标志

分区引导扇区格式

跳转指令：跳转到启动代码
- 与平台相关代码
文件卷头：文件系统描述信息
启动代码：跳转到加载程序
结束标志：55AA(0x55 0xAA) 二进制为： 0101010110101010

加载程序（bootloader）

加载程序图

系统启动规范

BIOS
- 固化到计算机主板上的程序
- 包括系统设置、自检程序和系统自启动程序
- BIOS-MBR、BIOS-GPT、PXE
UEFI(统一可扩展固件接口)
- 接口标准
- 在所有平台上一致的操作系统启动服务

BIOS

Posted on 2021-04-07 Edited on 2021-04-11

计算机体系结构概述

CPU加电之后第一条指令在哪？

CS:IP = 0xf000:fff0.
(CS：代码段寄存器；IP：指令寄存器)
系统处于实模式
PC = 16 * CS + IP
20位地址空间：1MB

BOIS启动固件

基本输入输出的程序
系统设置信息
开机自检程序
系统自启动程序等

BOIS

将加载程序从磁盘的引导区（512字节）加载到0x7c00.
跳转到 CS:IP = 0000:7c00

加载程序

将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中.
跳转到操作系统的起始位置

内存位置图

BOIS系统调用

BOIS以中断调用的方式提供了基本的I/O功能
- INT 10h:字符显示
- INT 13h:磁盘扇区读写
- INT 15h:检测内存大小
- INT 16h:键盘输入
只能在x86的实模式下访问

了解ucore编程方法和通用数据结构

Posted on 2021-04-06 Edited on 2021-04-11

了解ucore编程方法和通用数据结构

面向对象编程方法

ucore主要基于C语言设计，采用了一定的面向对象编程方法。

/lab2/kern/mm/pmm.h
-------------------
struct pmm_manager {
    const char *name;
    void (*init)(void);

    void (*init_memmap)(struct Page *base, size_t n);

    struct Page *(*alloc_pages)(size_t n);
    void (*free_pages)(struct Page *base, size_t n);
    size_t (*nr_free_pages)(void);
    void (*check)(void);
};

通用数据结构

双向循环链表

typedef struct foo {
    ElemType data;
    struct foo *prev;
    struct foo *next;
} foo_t;

uCore的双向链表结构定义

struct list_entry {
    struct list_entry *prev,*next;
};

typedef struct {
    list_entry_t free_list;
    unsigned int nr_free;
} free_area_t;

struct Page {
    atomic_t ref;
    .......
    list_entry_t page_link;
}

链表操作函数

1
2
3

list_init(list_entry_t *elm)
list_add_after和list_add_before
list_del(list_entry_t *listelm)

访问链表节点所在的宿主数据结构

free_area_t free_data;
list_entry_t *le = &free_area.free_list;
while((le=list_next(le)) != &free_area.free_list) {
    struct Page *p = le2page(le, page_link);
    ......
}

#define le2page(le, member)  to_struct((le), struct Page, member)
#define to_struct(ptr, type, member)    ((type *)((char *)(ptr) - offsetof(type, member)))
#define offsetof(type, member)  ((size_t)(&((type *)0)->member))

了解x86-32硬件-寄存器

Posted on 2021-04-06 Edited on 2021-05-12 In 硬件 , 寄存器

了解x86-32硬件-寄存器

08386的寄存器可以分为8组

通用寄存器
段寄存器
指令指针寄存器
标志寄存器
控制寄存器
系统地址寄存器
调试寄存器
测试寄存器

通用寄存器

EAX: 累加器
EBX: 基址寄存器
ECX: 计数器
EDX: 数据寄存器
ESI: 源地址指针寄存器
EDI: 目的地指针寄存器
EBP: 基址指针寄存器
ESP: 堆栈指针寄存器

段寄存器

CS: 代码段(Code Segment)
DS: 数据段(Data Segment)
ES: 附加数据段(Extra Segment)
SS: 堆栈段(Stack Segment)
FS: 附加段
GS: 附加段

指令寄存器和标志寄存器

EIP: 指令寄存器

EIP的低16位就是8086的IP，它存储的是下一条要执行指令的内存地址，在分段地址转换中，表示指令的段内偏移地址。
EFLAGS: 标志寄存器

IF(Interrupt Flag)：中断标志位，由CLI，STI两条指令来控制；设置IF使CPU可识别外部(可屏蔽)中断请求。复位IF则禁止中断。IF对不可屏蔽外部中断和故障中断的识别没有任何作用。

CF,PF,ZF,…