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系统调用与软件中断SWI的实现

發布時間：2025/3/21 windows 28 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了系统调用与软件中断SWI的实现小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

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http://blog.csdn.net/mr_raptor/article/details/6556451

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1?? 系統調用

操作系統的主要功能是為應用程序的運行創建良好的環境，保障每個程序都可以最大化利用硬件資源，防止非法程序破壞其它應用程序執行環境，為了達到這個目的，操作系統會將硬件的操作權限交給內核來管理，用戶程序不能隨意使用硬件，使用硬件（對硬件寄存器進行讀寫）時要先向操作系統發出請求，操作系統內核幫助用戶程序實現其操作，也就是說用戶程序不會直接操作硬件，而是提供給用戶程序一些具備預定功能的內核函數，通過一組稱為系統調用的（system call)的接口呈現給用戶，系統調用把應用程序的請求傳給內核，調用相應的內核函數完成所需的處理，將處理結果返回給應用程序。這好比我們去銀行取款，用戶自己的銀行帳戶不可能隨意操作，必須要有一個安全的操作流程和規范，銀行里的布局通常被分成兩部分，中間用透明玻璃分隔開，只留一個小窗口，面向用戶的是用戶服務區，工作人員所在區域為內部業務操作區，取款時，將銀行卡或存折通過小窗口交給業務員，并且告訴他要取多少錢，具體取錢的操作你是不會直接接觸的，業務員會將銀行帳戶里減掉取款金額，將現金給你。上述操作流程可以很好保護銀行系統，銀行系統的操作全部由業務員來實現，用戶只能向業務員提出自己的服務請求。銀行里的小窗口就類似與操作系統的系統調用接口，是將用戶請求傳遞給內核的接口。???

圖3-16系統調用接口示意圖

操作系統里將用戶程序運行在用戶模式下，并且為其分配可以使用內存空間，其它內存空間不能訪問，內核態運行在特權模式下，對系統所有硬件進行統一管理和控制。從前面所學知識可以了解到，用戶模式下沒有權限進行模式切換，這也就意味著用戶程序不可能直接通過切換模式去訪問硬件寄存器，如果用戶程序試圖訪問沒有權限的硬件，會產生異常。這樣用戶程序被限制起來，如果用戶程序想要使用硬件時怎么辦呢？用戶程序使用硬件時，必須調用操作系統提供的API接口才可以，而操作系統API接口通過軟件中斷方式切換到管理模式下，實現從用戶模式下進入特權模式。

2?? 軟件中斷

軟中斷是利用硬件中斷的概念，用軟件方式進行模擬，實現從用戶模式切換到特權模式并執行特權程序的機制。

硬件中斷是由電平的物理特性決定，在電平變化時引發中斷操作，而軟中斷是通過一條具體指令SWI，引發中斷操作，也就是說用戶程序里可以通過寫入SWI指令來切換到特權模式，當CPU執行到SWI指令時會從用戶模式切換到管理模式下，執行軟件中斷處理。由于SWI指令由操作系統提供的API封裝起來，并且軟件中斷處理程序也是操作系統編寫者提前寫好的，因此用戶程序調用API時就是將操作權限交給了操作系統，所以用戶程序還是不能隨意訪問硬件。

先來了解下SWI指令。

SWI 軟中斷號immed_24

軟中斷指令相對比較簡單，只有一個操作數:immed_24,SWI指令編碼格式如圖3-17所示。

圖3-17 SWI指令編碼格式

SWI指令編碼中immed_24為24位任意有效立即數（范圍0~2^24-1），當該指令被執行時系統產生軟中斷異常，切換到管理模式下。用戶程序切換到管理模式下后，進入到軟中斷處理程序，通常軟中斷異常處理程序都是系統開發人員提前寫好的，SWI切換到了特權模式，執行的是系統開發人員寫好的異常處理程序，只要該處理程序沒有問題，那么用戶程序還是不能為所欲為的。

SWI指令后面的24立即數是干什么用的呢？用戶程序通過SWI指令切換到特權模式，進入軟中斷處理程序，但是軟中斷處理程序不知道用戶程序到底想要做什么？SWI指令后面的24位用來做用戶程序和軟中斷處理程序之間的接頭暗號。通過該軟中斷立即數來區分用戶不同操作，執行不同內核函數。如果用戶程序調用系統調用時傳遞參數，根據ATPCSC語言與匯編混合編程規則將參數放入R0~R4即可。下面的例子通過系統調用函數int led_on(int led_no)實現點亮第led_no 個LED燈，由于C語言里沒有SWI 指令對應的語句，因此這兒要用到C語言與匯編混合編程，led_on函數里將參數led_no的值傳遞給R0，通過軟中斷SWI指令切換到軟中斷管理模式，同時R0 軟中斷方式點亮LED燈，用戶通過SWI? #1指令可以點燈，具體點亮哪個燈，通過R0保存參數傳遞，如果亮燈成功返回對應LED號。

系統調用接口函數led_on：

#define __led_on_swi_no????????????????????????? 1???????????????? // 軟中斷號1，調用管理模式下的do_led_on函數

int led_on(int led_no){

???????? int ret;????????????????????????????????????????????? // 返回值

????????? __asm{??????????????????????????????????????????? // 由于C程序中沒有SWI對應表達式，所以使用混合編程

?????????????????? mov? r0, led_no???????????????????? // 根據ATPCS規則，r0存放第一個參數

?????????????????? swi??? __led_on_swi_no???????? // 產生SWI軟中斷，中斷號為__led_on_swi_no

?????????????????? mov? ret, r0??????????????????????????? // 軟中斷處理結束，取得中斷處理返回值，傳遞給ret變量

???????? }

???????? return ret;????????????????????????????????????????????????? // 將ret返回給調用led_on的語句

}

3?? 軟中斷處理

CPU執行到swi xxx執行后，產生軟件中斷，由異常處理部分知識可知，軟中斷產生后CPU將強制將PC的值置為異常向量表地址0x08，在異常向量表0x08處安放跳轉指令b HandleSWI，這樣CPU就跳往我們自己定義的HandleSWI處執行。

首先，軟中斷處理中通過STMFD? SP!, {R0-R12,? LR}????? 要保存程序執行現場，將R0~R12通用寄存器數據保存在管理模式下SP棧內，LR由硬件自動保存軟中斷指令下一條指令的地址（后面利用LR的地址取得SWI指令編碼），該寄存器值也保存在SP棧內，將來處理完畢之后返回。由SWI指令編碼知識可知， SWI指令低24位保存有軟中斷號，通過LDR R4, [LR, #-4]指令，取得SWI指令編碼（LR為硬件自動保存SWI xxx指令的下一條指令地址，LR – 4就是SWI指令地址），將其保存在R4寄存器中。通過BIC????? R4, R4, #0xFF000000指令將SWI指令高8位清除掉，只保留低24位立即數，再根據24位立即數中的軟中斷號判斷用戶程序的請求操作。如果24位立即數為1，表示led_on系統調用產生的軟中斷，則在管理模式下調用對應的亮燈操作do_led_on。如果24位立即數為2，表示led_off系統調用產生的軟中斷，則調用滅燈操作do_led_on，根據ATPCS調用規則，R0~R3做為參數傳遞寄存器，在軟中斷處理中沒有使用這4個寄存器，而是使用R4作為操作寄存器的。執行完系統調用操作之后，返回到swi_return（在調用對應系統操作時，通過LDREQ??? LR, =swi_return設置了返回地址），執行返回處理，通過LDMIA??? SP!, {R0-R12, PC}^ 指令將用戶寄存器數據恢復到R0~R12，將進入軟中斷處理時保存的返回地址LR的值恢復給PC，實現程序返回，同時還恢復了狀態寄存器。切換回用戶模式下程序中繼續執行。

; 異常向量表開始

; 0x00: 復位Reset異常

???????? b?????? Reset

; 0x04: 未定義異常（未處理）

HandleUndef

?????????? b?????? HandleUndef

; 0x08: 軟件中斷異常，跳往軟件中斷處理函數HandleSWI

??? b???????? HandleSWI

… …

; 省略其它異常向量和對應處理

… …

;***********************************************************************

; 軟中斷處理

;***********************************************************************

IMPORT do_led_on

IMPORT do_led_off

HandleSWI

???????? STMFD???? SP!, {R0-R12,? LR}??????????? ; 保存程序執行現場

???????? LDR R4, [LR, #-4]?????????????????????????????????? ; LR - 4 為指令" swi xxx" 的地址，低24位是軟件中斷號

???????? BIC?? R4, R4, #0xFF000000??????????????????? ; 取得ARM指令24位立即數

??????????

???????? CMP????????? R4, #1??????????????????????????????????? ; 判斷24位立即數，如果為1，調用do_led_on系統調用

???????? LDREQ???? LR, =swi_return??????????????????? ; 軟中斷處理返回地址

???????? LDREQ???? PC, = do_led_on??????????????????? ; 軟中斷號1對應系統調用處理

??????????

???????? CMP????????? R4, #2??????????????????????????????????? ; 判斷24位立即數，如果為2，調用do_led_off系統調用

???????? LDREQ???? LR, =swi_return??????????????????? ; 軟中斷處理返回地址

???????? LDREQ???? PC, = do_led_off??????????????????????????? ; 軟中斷號2對應系統調用處理

??????????

???????? MOVNE??? R0, #-1?????????????????????????????????? ; 沒有該軟中斷號對應函數，出錯返回-1

swi_return

???????? LDMIA???? SP!, {R0-R12, PC}^???????????? ; 中斷返回, ^表示將spsr的值復制到cpsr

1.1.4?? led系統調用實驗

本實驗通過Led跑馬燈效果來模擬系統調用，本程序提供了兩個系統調用接口led_on和led_off，用戶程序main.c通過引入頭文件led.h使用系統調用接口，用戶調用led_on和led_off時通過軟中斷指令切換到管理模式，在管理模式下調用內核led操作系統do_led_on和do_led_off，實現Led的亮滅。實驗源碼適用于QQ2440，TQ2440，MINI2440開發板。

head.s：

本程序文件主要用于安裝異常向量表，Reset異常處理，軟中斷處理和必要硬件初始化。

;**********************************************************************

; 系統調用實驗（QQ2440, MINI2440,TQ2440）

;**********************************************************************

GPBCON?? EQU??? ? 0x56000010

GPBDAT??? EQU??? ? 0x56000014???

SYS_STACK_BASE EQU??? 0x33000000????

EXPORT ? SWI_LED

AREA ?????? SWI_LED ,CODE,READONLY

ENTRY

;**********************************************************************??????

; 設置中斷向量,除Reset和HandleSWI外，其它異常都沒有使用(如果不幸發生了，

; 將導致死機)

;**********************************************************************??????

; 0x00: 復位Reset異常

b??????? Reset

; 0x04: 未定義異常（未處理）

HandleUndef

b??????? HandleUndef

; 0x08: 軟件中斷異常，跳往軟件中斷處理函數HandleSWI

b??????? HandleSWI

; 0x0c: 指令預取異常（未處理）

HandlePrefetchAbt

b??????? HandlePrefetchAbt

; 0x10: 數據訪問中止異常（未處理）

HandleDataAbt

b??????? HandleDataAbt

; 0x14: 未使用異常（未處理）

HandleNotUsed

b??????? HandleNotUsed

; 0x18: 一般中斷異常（未處理）

HandleIRQ

b??????? HandleIRQ

; 0x1c: 快速中斷異常（未處理）

HandleFIQ

b??????? HandleFIQ

Reset?????????????????????????????????????? ? ???????????????????????????????? ; 復位異常處理入口

; 關閉看門狗

ldr ?r0, = 0x53000000

mov ?r1, #0

str ?r1, [r0]

bl ?initmem

ldr????? sp,???? =0x32000000?????????????????????????????????????????? ; 設置管理模式棧指針

; LED燈初始化

ldr ?r0, =GPBCON?????????????????????????????????????????????????? ; LED的GPIO接口配置寄存器

ldr ?r1, =0x00015400??????????????????????????????????????????????? ; GPIO配置數據

str ?r1, [r0]?? ?????????????????????????????????????????????????????????? ; 設置GPIO

?????????

ldr ?r0, =GPBDAT????????????????????????????????????????????????????????????? ; Led數據寄存器

ldr ?r1, =0x1e0????????????????????????????????????????????????????????? ; 熄滅所有Led

str ?r1, [r0]

msr??? cpsr_c,?????? #0xdf????????

ldr????? sp, =SYS_STACK_BASE

msr??? cpsr_c,?????? #0x50? ???????????????????????????????? ; 開啟系統中斷，進入用戶模式,該指令執行完

? ????????????????????????????????? ?????????????????????????????????? ; 就進入用戶空間,執行用戶程序xmain

ldr????? lr,????? =halt_loop?????????????????????????????????????? ; 設置管理模式下返回地址

IMPORT xmain

ldr????? pc,???? =xmain??????????????????????????????????????????? ; 跳入主函數main里執行

??????????

halt_loop

b ??halt_loop

;***********************************************************************

; 軟中斷處理

;***********************************************************************

IMPORT do_led_on

IMPORT do_led_off

HandleSWI

STMFD????? SP!, {R0-R12,? LR}?? ; 保存程序執行現場

LDR?? R4, [LR, #-4]???????????????????? ; LR - 4 為指令" swi xxx" 的地址，指令低24位軟件中斷號

BIC?? ? R4, R4, #0xFF000000?????? ; 取得ARM指令24位立即數

?????????

CMP?????????? R4, #1?????????????????????????? ; 判斷24位立即數的值，如果為1，調用do_led_on系統調用

LDREQ????? LR, =swi_return?????????? ; 軟中斷處理返回地址

LDREQ????? PC, = do_led_on????????? ; 軟中斷號1對應系統調用處理

?????????

CMP?????????? R4, #2?????????????????????????? ; 判斷24位立即數的值，如果為2，調用do_led_off系統調用

LDREQ????? LR, =swi_return?????????? ; 軟中斷處理返回地址

LDREQ????? PC, = do_led_off?????????????????? ; 軟中斷號2對應系統調用處理

?????????

MOVNE??? R0, #-1???????????????????????? ; 沒有該軟中斷號對應函數，出錯返回-1

??????????

swi_return

LDMIA????? SP!, {R0-R12, PC}^??? ; 中斷返回, ^表示將spsr的值復制到cpsr

??????????

initmem

ldr ?r0, =0x48000000???????????????????? ; 內存控制寄存器起始地址

ldr ?r1, =0x48000034???????????????????? ; 內存控制寄存器結束地址

adr ?r2, memdata ???????????????? ?????????????????? ; 加載寄存器設置數據區首地址

initmemloop

ldr ?r3, [r2], #4

str ?r3, [r0], #4

teq ?r0, r1

bne ?initmemloop???????????????????????????????????? ; 循環設置每一個寄存器

mov ?pc, lr

memdata

DCD 0x22000000 ?????????????? ;BWSCON

DCD 0x00000700???????????????? ;BANKCON0????

DCD 0x00000700???????????????? ;BANKCON1????

DCD 0x00000700???????????????? ;BANKCON2????

DCD 0x00000700? ??? ???????? ;BANKCON3?????????????

DCD 0x00000700???????????????? ;BANKCON4????

DCD 0x00000700???????????????? ;BANKCON5????

DCD 0x00018005???????????????? ;BANKCON6????

DCD 0x00018005???????????????? ;BANKCON7????

DCD 0x008e07a3????????????????? ;REFRESH????????

DCD 0x000000b1???????????????? ;BANKSIZE??????

DCD 0x00000030???????????????? ;MRSRB6?

DCD 0x00000030???????????????? ;MRSRB7

END??????????????????????????????????????????????? ; 代碼結束

main.c:

本程序文件是用戶程序xmain，主要實現跑馬燈效果，通過使用系統調用led_on，led_off實現Led控制。

#include "led.h"

/* 亮燈延時 */

void delay(int msec)

{

???????? int i, j;

???????? for(i = 1000; i > 0; i--)

?????????? ???????? for(j = msec*10; j > 0; j--)

?????????? ???????? /* do nothing */;

}

/* 主函數跑馬燈效果 */

int xmain()

{

???????? while(1)

???????? {

? ??????????? led_on(1);

????? ??????? delay(5);????????????? //delay

??????

?????? ????? led_on(2);