OpenHarmony LiteOS-A內核文檔之學習--系統調用

作者：zhushangyuan_ 2021-10-25 09:53:52

OpenHarmony LiteOS-A內核實現態與內核態的區分隔離，用戶態程序不能直接訪問內核資源，而系統調用則為用戶態程序提供了一種訪問內核資源、與內核進行交互的通道。

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OpenHarmony LiteOS-A內核實現態與內核態的區分隔離，用戶態程序不能直接訪問內核資源，而系統調用則為用戶態程序提供了一種訪問內核資源、與內核進行交互的通道。如下圖所示，用戶程序通過調用System API(系統API，通常是系統提供的POSIX接口)進行內核資源訪問與交互請求，POSIX接口內部會觸發SVC/SWI異常，完成系統從用戶態到內核態的切換，然后對接到內核的Syscall Handler(系統調用統一處理接口)進行參數解析，最終分發至具體的內核處理函數。

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Syscall Handler的具體實現在kernel/liteos_a/syscall/los_syscall.c中OsArmA32SyscallHandle函數，在進入系統軟中斷異常時會調用此函數，并且按照kernel/liteos_a/syscall/syscall_lookup.h中的清單進行系統調用的入參解析，執行各系統調用最終對應的內核處理函數。

1. 涉及的系統調用文件目錄介紹

先介紹下系統調用相關的內核態代碼、用戶態代碼所在的文件目錄。

1.1 syscall/syscall_lookup.h文件

kernel/liteos_a/syscall/syscall_lookup.h文件中維護內核向用戶態提供的系統調用接口。文件中包含虛擬文件系統VFS、動態加載DYNLOAD、PIPE、SHELL、LWIP、SECURITY_CAPABILITY等模塊的系統調用接口，文件內容片段如下。每一個系統調用有宏函數SYSCALL_HAND_DEF定義，包含系統調用編號、系統調用處理函數，返回值類型，系統調用處理參數數目，下文詳細介紹。

...... 
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_write, SysWrite, ssize_t, ARG_NUM_3) 
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_open, SysOpen, int, ARG_NUM_7) 
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_close, SysClose, int, ARG_NUM_1) 
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_creat, SysCreat, int, ARG_NUM_2) 
......

文件syscall/syscall_lookup.h被文件syscall/los_syscall.c中的系統調用初始化函數OsSyscallHandleInit調用，調用代碼如下。可以看出第一個參數是系統調用函數編號，編號定義在文件third_party/musl/porting/liteos_a/kernel/include/bits/syscall.h;第二個是系統調用函數，函數原型聲明在文件kernel/liteos_a/syscall/los_syscall.h，函數實現一般在kernel/liteos_a/syscall目錄下的源代碼文件中實現; 第三個是返回值類型，暫時沒有使用;第四個函數是系統調用函數的參數數目。

下面看下宏函數的代碼，⑴處把定義的系統調用函數都維護在全局數組g_syscallHandle。⑵處由于參數數量不會特別大，記錄系統調用處理函數參數數目的全局數組g_syscallNArgs的類型是UINT8，每4個bit位維護一個系統調用的參數數目。

... 
static UINTPTR g_syscallHandle[SYS_CALL_NUM] = {0}; 
static UINT8 g_syscallNArgs[(SYS_CALL_NUM + 1) / NARG_PER_BYTE] = {0}; 
... 
void OsSyscallHandleInit(void) 
{ 
#define SYSCALL_HAND_DEF(id, fun, rType, nArg)                                             \ 
    if ((id) < SYS_CALL_NUM) {                                                             \ 
⑴      g_syscallHandle[(id)] = (UINTPTR)(fun);                                            \ 
⑵      g_syscallNArgs[(id) / NARG_PER_BYTE] |= ((id) & 1) ? (nArg) << NARG_BITS : (nArg); \ 
    }                                                                                      \ 
 
    #include "syscall_lookup.h" 
#undef SYSCALL_HAND_DEF 
} 
 
LOS_MODULE_INIT(OsSyscallHandleInit, LOS_INIT_LEVEL_KMOD_EXTENDED);

1.2 syscall/los_syscall.h文件

kernel/liteos_a/syscall/los_syscall.h文件中維護內核的系統調用對接函數聲明。函數實現一般在目錄/kernel/liteos_a/syscall下的源代碼文件中。該文件主要被如下源文件include使用。

./kernel/liteos_a/fs/vfs/vfs_cmd/vfs_shellcmd.c:50:#include "los_syscall.h" 
./kernel/liteos_a/kernel/extended/blackbox/los_blackbox_core.c:46:#include "los_syscall.h" 
./kernel/liteos_a/kernel/user/src/los_user_init.c:33:#include "los_syscall.h" 
./kernel/liteos_a/syscall/fs_syscall.c:49:#include "los_syscall.h" 
./kernel/liteos_a/syscall/los_syscall.c:38:#include "los_syscall.h" 
./kernel/liteos_a/syscall/net_syscall.c:37:#include "los_syscall.h"

1.3 系統調用函數編號

維護系統調用編號文件有2個，需要分別在用戶態和內核態維護系統調用函數編號。除了文件porting/liteos_a/kernel/include/bits/syscall.h中多個幾個參數數目的宏定義外，下述兩個文件的內容基本相同。

third_party/musl/porting/liteos_a/user/arch/arm/bits/syscall.h.in
third_party/musl/porting/liteos_a/kernel/include/bits/syscall.h

2. 系統調用開發示例

當需要新增一個系統調用接口時，可以參考下述步驟：

在LibC庫中確定并添加新增的系統調用號。
在LibC庫中新增用戶態的函數接口聲明及實現。
在內核系統調用頭文件中確定并添加新增的系統調用號及對應內核處理函數的聲明。
在內核中新增該系統調用對應的內核處理函數。

2.1 在LibC庫中確定并添加新增的系統調用號

編輯文件porting/liteos_a/user/arch/arm/bits/syscall.h.in，如下所示，其中⑴處的__NR_new_syscall_sample為新增系統調用號。需要注意同時更新下⑵處的編號。

  /* OHOS customized syscalls, not compatible with ARM EABI */ 
    #define __NR_OHOS_BEGIN         500 
    #define __NR_pthread_set_detach (__NR_OHOS_BEGIN + 0) 
    ...... 
    #define __NR_sysconf            (__NR_OHOS_BEGIN + 21) 
⑴  #define __NR_new_syscall_sample (__NR_OHOS_BEGIN + 22) /* 新增的系統調用號 __NR_new_syscall_sample:522 */ 
⑵  #define __NR_syscallend         (__NR_OHOS_BEGIN + 23)

2.2 在LibC庫中新增用戶態的函數接口聲明及實現。

系統調用提供基礎的用戶態程序與內核的交互功能，不建議開發者直接使用系統調用接口，推薦使用內核提供的對外POSIX接口。需要在LibC庫中新增用戶態接口的聲明與實現。為了簡化，我們在現成的一個源文件里增加一函數實現代碼，如third_party/musl/porting/liteos_a/user/src/aio/aio.c文件中增加：

/* 新增系統調用用戶態的接口實現 */ 
void newSyscallSample(int num) 
{ 
     printf("user mode: num = %d\n", num); 
     __syscall(SYS_new_syscall_sample, num); 
     return; 
}

2.3 在內核系統調用頭文件中新增系統調用號

在內核系統調用頭文件中新增系統調用號，如下所示，在third_party/musl/porting/liteos_a/kernel/include/bits/syscall.h文件中，__NR_new_syscall_sample為新增系統調用號。用戶態代碼和內核態代碼增加系統調用號方式相同，編號相同。

/* OHOS customized syscalls, not compatible with ARM EABI */ 
#define __NR_OHOS_BEGIN         500 
#define __NR_pthread_set_detach (__NR_OHOS_BEGIN + 0) 
... 
#define __NR_sysconf            (__NR_OHOS_BEGIN + 21) 
#define __NR_new_syscall_sample (__NR_OHOS_BEGIN + 22) /* 新增的系統調用號 __NR_new_syscall_sample:522 */ 
#define __NR_syscallend         (__NR_OHOS_BEGIN + 23) 
...

在kernel/liteos_a/syscall/syscall_lookup.h中，增加一行，如下。

... 
/* 當前現有的系統調用清單 */ 
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_chown, SysChown, int, ARG_NUM_3) 
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_chown32, SysChown, int, ARG_NUM_3) 
#ifdef LOSCFG_SECURITY_CAPABILITY 
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_ohoscapget, SysCapGet, UINT32, ARG_NUM_2) 
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_ohoscapset, SysCapSet, UINT32, ARG_NUM_1) 
#endif 
/* 新增系統調用 */ 
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_new_syscall_sample, SysNewSyscallSample, void, ARG_NUM_1) 
...

2.4 在內核中新增系統調用對應的處理函數

需要在內核中新增系統調用函數聲明及函數實現，并加入編譯構建文件。首先，如下所示，在kernel/liteos_a/syscall/los_syscall.h中，SysNewSyscallSample為新增系統調用的內核處理函數聲明。

... 
/* 當前現有的系統調用內核處理函數聲明清單 */ 
... 
extern int SysTimerGettime64(timer_t timerID, struct itimerspec64 *value); 
... 
/* 新增的系統調用內核處理函數聲明 */ 
extern void SysNewSyscallSample(int num); 
...

然后在kernel/liteos_a/syscall目錄下新建個源文件syscall_demo.c，新增系統調用的內核處理函數實現如下。

#include "los_printf.h" 
/* 新增系統調用內核處理函數的實現 */ 
void SysNewSyscallSample(int num) 
{ 
    PRINTK("kernel mode: num = %d\n", num); 
    return; 
}

最后，在文件kernel/liteos_a/syscall/BUILD.gn中增加對syscall_demo.c源文件的編譯管理。

import("//kernel/liteos_a/liteos.gni") 
 
module_switch = defined(LOSCFG_KERNEL_SYSCALL) 
module_name = get_path_info(rebase_path("."), "name") 
kernel_module(module_name) { 
  sources = [ 
    "fs_syscall.c", 
...... 
    "syscall_demo.c" 
  ] 
}

2.5 調用并驗證

參考官網Hello World示例，修改示例applications/sample/camera/apps/src/helloworld.c，增加系統調用內容newSyscallSample(10)。

#include <stdio.h> 
#include "syscall.h" 
 
/* 新增系統調用用戶態的接口實現 */ 
void newSyscallSample(int num) 
{ 
     printf("user mode: num = %d\n", num); 
     __syscall(SYS_new_syscall_sample, num); 
     return; 
} 
 
int main(int argc, char **argv) 
{ 
    printf("\n************************************************\n"); 
    printf("\n\t\tHello OHOS!\n"); 
    printf("\n************************************************\n\n"); 
    newSyscallSample(10); 
    return 0; 
}

在工程根目錄，hb set選擇產品ipcamera_hispark_taurus，然后hb build構建，使用Device Tool工具燒錄Hi3516開發板，運行在串口得到輸出結果如下。用戶態接口與內核態接口均有輸出，證明系統調用已使能。

3. 小結

本文學習小型系統內核開發-系統調用官網文檔，并在Hi3516開發板上實際驗證操作，通過動手更好的掌握了系統調用。

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責任編輯：jianghua 來源：鴻蒙社區

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