第3章 系统接口

操作系统OperatingSystem第3章系统接口Chapter3:Interface系统接口—用户通过它来使用操作系统对大多数用户来说，操作系统是一个“黑盒子”操作系统键盘命令鼠标点击网络数据屏幕输出文件改变……引导告诉了我们这个盒子是怎么放入内存的?在“打开这个盒子”之前要“了解盒子的入口”操作系统接口Interface:electricalcircuitlinkingonedevicewithanotherandenablingdatacodedinoneformattobetransmittedinanother(出自牛津辞典)

OS为什么要执行这些转换?用户操作系统保护操作系统、应用程序可以移植、让用户觉得简单方便…这也是“接口”(将复杂转换为简单)普遍具有的优点学习转换—从转换之前开始用户使用操作系统(计算机系统)基本方式命令行图形用户接口(GUI)应用程序命令行是怎么回事?命令是什么?命令输入后发生了什么?#include<stdio.h>intmain(intargc,char*argv[]){printf(“ECHO:%s\n”,argv[1]);}gcc–ooutputoutput.c./output“hello”命令，一段程序而已intmain(intargc,char*argv[]){charcmd[20];while(1){scanf(“%s”,cmd);

if(!fork()){exec(cmd);}else{wait();}}//while(1)}也是一段程序:shell，即/bin/sh命令得以工作的原因:OS提供了printf,fork,exec等函数(接口)使GUI工作，OS提供消息框架和相关API硬件输入Windows应用程序iGUI是怎么回事?鼠标点击OUTPUT以后…voidCOutputDlg::OnOK(){GetDlgItemText(IDC_EDIT1,m_outStr);FILE*fp=fopen("d:\\out.txt","w");

fprintf(fp,m_outStr,m_outStr.GetLength());fclose(fp);}系统消息队列消息循环WinMain()WM_MOUSEDOWN应用消息队列iWinProc1WinProc2OUTPUT按钮的WinProc(){caseWM_MOUSEDOWN:OnOK();}总结其中最重要的概念系统调用用户使用计算机总结：应用操作系统提供的接口编写程序；应用这些程序解决问题命令行:命令程序+shell+字符显示GUI:消息处理程序+消息框架+图形显示应用程序:将上述部分组成一个整体…因此：用户通过OS接口使用计算机；OS接口影响计算机的使用方式这么重要，得起个名字：接口表现为函数调用，又由OS提供，叫系统调用系统调用是学习操作系统的首要任务…系统调用学习转换—提供哪些系统调用?POSIX:将接口统一比较好!PortableOperatingSystemInterfaceofUnix

系统调用由IEEE开发，是一个标准族:

1003.1,2003…分类POSIX定义描述任务管理forkexecl创建一个进程运行一个可执行程序pthread_create创建一个线程文件系统open打开一个文件或目录EACCES返回值，表示没有权限mode_tst_mode文件头结构:文件属性S_ISDIR(m)宏展开，是否为目录文件对于指令跳转也一样实现了隔离…学习转换—怎么实现系统调用?将内核程序和用户程序隔离比较好!区分内核态和用户态：一种处理器“硬件设计”系统调用处理器保护环0123核心态OS服务用户态CPL(CS)RPL(DS)DPL检查DPLCPLDPLRPL当前程序执行在什么态(哪层环)?由于CS:IP是当前指令，所以用CS的最低两位来表示:0是内核态，3是用户态访问的数据段DS的最低两位内核态可以访问任何数据，用户态不能访问内核数据硬件提供了“主动进入内核的方法”对于Intelx86，那就是中断指令intint指令将使CS中的CPL改成0，“进入内核”这是用户程序发起的调用内核代码的唯一方式此时，CPL=3而DPL=0若用户程序想调内核代码:写一段包含int指令的代码系统调用的实现:(1)用户程序中写上一段包含int指令的代码(2)OS写中断处理代码，获取想调程序的编号(3)OS根据编号转去执行相应的代码由谁做?库函数!系统调用编号系统调用的实现调用printf(…)应用程序库函数printf(…)C函数库库函数write(…)系统调用write(…)OS内核显然，库函数write是本图的关键在linux/lib/write.c中#include<unistd.h>_syscall3(int,write,int,fd,constchar*buf,off_t,count)在linux/include/unistd.h中#define_syscall3(type,name,...)typename(...)\{__asm__volatile(“int0x80”\:”=a”(__res)...}Linux系统调用的实现细节!将关于write的故事完整的讲完…

在linux/include/unistd.h中#define_syscall3(type,name,atype,a,btype,b,ctype,c)\typename(atypea,btypeb,ctypec)\{long__res;\__asm__volatile(“int0x80”:”=a”(__res)\:””(__NR_##name),”b”((long)(a)),”c”((long)(b)),\“d”((long)(c))));if(__res>=0)\return(type)__res;errno=-__res;return-1;}显然，__NR_write是系统调用号，放在eax中在linux/include/unistd.h中#define__NR_write4//一堆连续正整数(数组下标,函数表索引)同时eax也存放返回值，ebx，ecx，edx存放3个参数_syscall3表示有3个参数int0x80中断的处理

voidsched_init(void){set_system_gate(0x80,&system_call);}显然，set_system_gate用来设置0x80的中断处理在linux/include/asm/system.h中#defineset_system_gate(n,addr)\_set_gate(&idt[n],15,3,addr);//idt是中断向量表基址#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))段选择符处理函数入口点偏移04处理函数入口点偏移PDPL01110中断处理程序:system_call

_sys_call_table+4*%eax就是相应系统调用处理函数入口在linux/kernel/system_call.s中nr_system_calls=72.globl_system_call_system_call:cmpl$nr_system_calls-1,%eaxjabad_sys_callpush%dspush%espush%fspushl%edxpushl%ecxpushl%ebx//调用的参数

movl$0x10,%edxmov%dx,%dsmov%dx,%es//内核数据

movl$0x17,%edxmov%dx,%fs//fs可以找到用户数据

call_sys_call_table(,%eax,4)//a(,%eax,4)=a+4*eax

pushl%eax//返回值压栈，留着ret_from_sys_call时用

...//其他代码ret_from_sys_call:popl%eax,其他pop,ireteax中存放的是系统调用号__asm__volatile(“int0x80”:”=a”(__res)在include/linux/sched.h中typedefint(fn_ptr*)();_sys_call_tablecall_sys_call_table(,%eax,4)就是callsys_write在include/linux/sys.h中fn_ptrsys_call_table[]={sys_setup,sys_exit,sys_fork,sys_read,sys_write,...};sys_call_table是一个全局函数数组sys_write对应的数组下标为4，__NR_write=4eax=4，函数入口地址长度也为4用户调用printfprintf展成int0x80中断处理system_call查表sys_call_table__NR_write=4调用sys_write故事结束!用户态内核态系统接口总结对于用户来说操作系统是个“黑盒子”要打开