ARM基礎(chǔ)：系統(tǒng)調(diào)用與軟件中斷SWI的實現(xiàn)

1系統(tǒng)調(diào)用

操作系統(tǒng)的主要功能是為應(yīng)用程序的運(yùn)行創(chuàng)建良好的環(huán)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(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境，為了達(dá)到這個目的，操作系統(tǒng)會將硬件的操作權(quán)限交給內(nèi)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(jìn)行讀寫）時要先向操作系統(tǒng)發(fā)出請求，操作系統(tǒng)內(nèi)核幫助用戶程序?qū)崿F(xiàn)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(yù)定功能的內(nèi)核函數(shù)，通過一組稱為系統(tǒng)調(diào)用的（system call)的接口呈現(xiàn)給用戶，系統(tǒng)調(diào)用把應(yīng)用程序的請求傳給內(nèi)核，調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)完成所需的處理，將處理結(jié)果返回給應(yīng)用程序。這好比我們?nèi)ャy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(guī)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(wù)區(qū)，工作人員所在區(qū)域為內(nèi)部業(yè)務(wù)操作區(qū)，取款時，將銀行卡或存折通過小窗口交給業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)員會將銀行帳戶里減掉取款金額，將現(xiàn)金給你。上述操作流程可以很好保護(hù)銀行系統(tǒng)，銀行系統(tǒng)的操作全部由業(yè)務(wù)員來實現(xiàn)，用戶只能向業(yè)務(wù)員提出自己的服務(wù)請求。銀行里的小窗口就類似與操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口，是將用戶請求傳遞給內(nèi)核的接口。

圖3-16系統(tǒng)調(diào)用接口示意圖

操作系統(tǒng)里將用戶程序運(yùn)行在用戶模式下，并且為其分配可以使用內(nèi)存空間，其它內(nèi)存空間不能訪問，內(nèi)核態(tài)運(yùn)行在特權(quán)模式下，對系統(tǒng)所有硬件進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制。從前面所學(xué)知識可以了解到，用戶模式下沒有權(quán)限進(jìn)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(quán)限的硬件，會產(chǎn)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(diào)用操作系統(tǒng)提供的API接口才可以，而操作系統(tǒng)API接口通過軟件中斷方式切換到管理模式下，實現(xiàn)從用戶模式下進(jìn)入特權(quán)模式。

軟中斷是利用硬件中斷的概念，用軟件方式進(jìn)行模擬，實現(xiàn)從用戶模式切換到特權(quán)模式并執(zhí)行特權(quán)程序的機(jī)制。

硬件中斷是由電平的物理特性決定，在電平變化時引發(fā)中斷操作，而軟中斷是通過一條具體指令SWI，引發(fā)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(quán)模式，當(dāng)CPU執(zhí)行到SWI指令時會從用戶模式切換到管理模式下，執(zhí)行軟件中斷處理。由于SWI指令由操作系統(tǒng)提供的API封裝起來，并且軟件中斷處理程序也是操作系統(tǒng)編寫者提前寫好的，因此用戶程序調(diào)用API時就是將操作權(quán)限交給了操作系統(tǒng)，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(shù):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(shù)（范圍0~2^24-1），當(dāng)該指令被執(zhí)行時系統(tǒng)產(chǎn)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(jìn)入到軟中斷處理程序，通常軟中斷異常處理程序都是系統(tǒng)開發(fā)人員提前寫好的，SWI切換到了特權(quán)模式，執(zhí)行的是系統(tǒng)開發(fā)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(shù)是干什么用的呢？用戶程序通過SWI指令切換到特權(quán)模式，進(jìn)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(shù)來區(qū)分用戶不同操作，執(zhí)行不同內(nèi)核函數(shù)。如果用戶程序調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用時傳遞參數(shù)，根據(jù)ATPCSC語言與匯編混合編程規(guī)則將參數(shù)放入R0~R4即可。下面的例子通過系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)int led_on(int led_no)實現(xiàn)點(diǎn)亮第led_no個LED燈，由于C語言里沒有SWI指令對應(yīng)的語句，因此這兒要用到C語言與匯編混合編程，led_on函數(shù)里將參數(shù)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(diǎn)亮LED燈，用戶通過SWI#1指令可以點(diǎn)燈，具體點(diǎn)亮哪個燈，通過R0保存參數(shù)傳遞，如果亮燈成功返回對應(yīng)LED號。

系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)led_on：

#define __led_on_swi_no1//軟中斷號1，調(diào)用管理模式下的do_led_on函數(shù)

int led_on(int led_no){

int ret;//返回值

__asm{//由于C程序中沒有SWI對應(yīng)表達(dá)式，所以使用混合編程

movr0, led_no//根據(jù)ATPCS規(guī)則，r0存放第一個參數(shù)

swi__led_on_swi_no//產(chǎn)生SWI軟中斷，中斷號為__led_on_swi_no

movret, r0//軟中斷處理結(jié)束，取得中斷處理返回值，傳遞給ret變量

}

return ret;//將ret返回給調(diào)用led_on的語句

}

CPU執(zhí)行到swi xxx執(zhí)行后，產(chǎn)生軟件中斷，由異常處理部分知識可知，軟中斷產(chǎn)生后CPU將強(qiáng)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(zhuǎn)指令b HandleSWI，這樣CPU就跳往我們自己定義的HandleSWI處執(zhí)行。

首先，軟中斷處理中通過STMFDSP!, {R0-R12,LR}要保存程序執(zhí)行現(xiàn)場，將R0~R12通用寄存器數(shù)據(jù)保存在管理模式下SP棧內(nèi)，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(nèi)，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BICR4, R4, #0xFF000000指令將SWI指令高8位清除掉，只保留低24位立即數(shù)，再根據(jù)24位立即數(shù)中的軟中斷號判斷用戶程序的請求操作。如果24位立即數(shù)為1，表示led_on系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生的軟中斷，則在管理模式下調(diào)用對應(yīng)的亮燈操作do_led_on。如果24位立即數(shù)為2，表示led_off系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生的軟中斷，則調(diào)用滅燈操作do_led_on，根據(jù)ATPCS調(diào)用規(guī)則，R0~R3做為參數(shù)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(zhí)行完系統(tǒng)調(diào)用操作之后，返回到swi_return（在調(diào)用對應(yīng)系統(tǒng)操作時，通過LDREQLR, =swi_return設(shè)置了返回地址），執(zhí)行返回處理，通過LDMIASP!, {R0-R12, PC}^指令將用戶寄存器數(shù)據(jù)恢復(fù)到R0~R12，將進(jìn)入軟中斷處理時保存的返回地址LR的值恢復(fù)給PC，實現(xiàn)程序返回，同時還恢復(fù)了狀態(tài)寄存器。切換回用戶模式下程序中繼續(xù)執(zhí)行。

;異常向量表開始

; 0x00:復(fù)位Reset異常

bReset

; 0x04:未定義異常（未處理）

HandleUndef

bHandleUndef

; 0x08:軟件中斷異常，跳往軟件中斷處理函數(shù)HandleSWI

b