一個作業系統的設計與實現——第23章 快速系統呼叫

樱雨楼發表於2024-09-01
作業系統

23.1 什麼是快速系統呼叫

系統呼叫是作業系統為3特權級任務提供服務的一種手段。在32位作業系統中，我們透過中斷實現了系統呼叫。由於系統呼叫是一個使用非常頻繁的機制，且中斷也不是專門為系統呼叫設計的，因此，64位CPU提供了系統呼叫的專用機制：快速系統呼叫。

快速系統呼叫由專用的syscall指令發起，並由專用的sysret指令返回。syscall必須從3特權級轉移到0特權級，sysret必須從0特權級返回到3特權級。快速系統呼叫全程使用暫存器傳參，並且系統呼叫函式的cs:rip是預設好的，因此，syscall/sysret均不需要引數。

綜上，快速系統呼叫的整套機制都是非常固定的，這就帶來了高效率。

23.2 快速系統呼叫的安裝

在使用快速系統呼叫之前，需要先安裝好快速系統呼叫所需的元件，這涉及到4個MSR。

23.2.1 IA32_EFER

快速系統呼叫這個功能在初始狀態下是關閉的，其開關位於IA32_EFER的第0位。這個MSR我們已經見過了，它的編號為0xc0000080。

23.2.2 IA32_STAR

這個MSR的低32位是保留位；第32~47位用於設定syscall使用的0特權級段選擇子；第48~63位用於設定sysret使用的3特權級段選擇子。

注意，這裡沒有說設定的是"程式碼段選擇子"，而僅僅是"段選擇子"，這是因為選擇子的設定有一套比較奇怪的定義：

  • 對於第32~47位，其數值本身會被視為0特權級程式碼段選擇子；這個數值加8得到的數值會被視為0特權級資料段選擇子
  • 對於第48~63位，其數值本身會被視為3特權級相容模式程式碼段選擇子；這個數值加8得到的數值會被視為3特權級資料段選擇子；這個數值加16得到的數值會被視為3特權級IA32-e模式程式碼段選擇子。那麼，當執行sysret時，其到底選擇哪個程式碼段呢？這個問題將在下文中討論

段選擇子是描述符索引值左移3位得到的，因此加8即為GDT中的下一個描述符。也就是說，第32~47位設定的是兩個連續的段描述符中的第一個；第48~63位設定的是三個連續的段描述符中的第一個。不過，由於我們的作業系統從不使用相容模式程式碼段，因此在GDT中並沒有定義這個描述符。

這個MSR的編號為0xc0000081。

23.2.3 IA32_LSTAR

這個MSR用於設定系統呼叫函式的地址，其編號為0xc0000082。

23.2.4 IA32_FMASK

這個MSR用於設定RFLAGS遮蔽掩碼。具體來說，當執行syscall時，rflags會變成這樣：rflags &= ~IA32_FMASK。在我們的作業系統中，這個MSR用於遮蔽IF位，遮蔽掩碼為0x200。

這個MSR的編號為0xc0000084。

23.3 syscall的執行細節

當執行syscall時，CPU會執行以下操作：

  • rcx = rip
  • r11 = rflags
  • cs = IA32_STAR[32:47]
  • rip = IA32_LSTAR
  • rflags &= ~IA32_FMASK

也就是說，rcx和r11會被syscall使用，它們不能用於傳參。此外，syscall不會對rsp做任何處理，這是一個很重要的問題，我們將在下文中討論。

23.4 sysret的執行細節

當執行sysret時，CPU會執行以下操作：

  • rip = rcx
  • rflags = r11
  • 如果sysret沒有64位字首，則：cs = IA32_STAR[48:63]；否則：cs = IA32_STAR[48:63] + 16

也就是說：

  1. 作業系統需要保護rcx與r11
  2. sysret需要具有64位字首

上述第1點將在下文中討論；第2點在nasm中可使用o64 sysret實現。

23.5 系統呼叫的實現

請看本章程式碼23/Syscall.h。

第3行，宣告瞭syscallInit函式。這個函式是用匯編語言實現的。

接下來，請看本章程式碼23/Syscall.s。

第15~18行，將IA32_EFER的第0位置1，開啟快速系統呼叫功能。

第20~23行，設定IA32_STAR。在GDT中，3號描述符是0特權級程式碼段，4號描述符是0特權級資料段，這兩個段描述符對應於IA32_STAR的第32~47位；5號描述符是3特權級資料段，6號描述符是3特權級程式碼段，沒有相容模式程式碼段，因此，這裡應強行將4號描述符安裝到IA32_STAR的第48~63位，使得5號和6號描述符處於正確的位置。

第25~29行，將系統呼叫函式syscallHandle的地址安裝到IA32_LSTAR。

第31~34行，將遮蔽掩碼0x200安裝到IA32_FMASK。

至此，快速系統呼叫準備完畢。

syscallHandle函式為系統呼叫函式。在32位作業系統中，系統呼叫由中斷實現，中斷髮生時，CPU會自動切換到0特權級棧，由於0特權級棧是作業系統提供的，所以能夠保證它的安全。那麼，什麼叫"安全的棧"？如果不切換棧，到底有什麼問題？請看下例：

void test()
{
    char s[] = "666";
    __asm__ __volatile__("syscall");
}

將這段程式碼翻譯成組合語言，可以是：

test:
	mov dword [rsp - 4], '666'
	syscall
	ret

可以發現：這個函式的rsp是沒有也不需要實際減去4的，但如果將這樣的rsp提供給系統呼叫函式使用，就是錯誤的，因為系統呼叫函式不知道棧到底應該怎麼用。這就是不安全棧帶來的問題，因此，在系統呼叫時，切換到一個安全的棧是有必要的。

然而，syscall不會自動切換棧，我們需要手動完成這個操作。0特權級棧在TSS中，TSS的地址是0xffff800000092000，但想要使用這個地址，就必須先用一個暫存器週轉64位立即數。用哪個暫存器呢？無關乎ABI，似乎用哪個都不完美。此時，我們之前設定的IA32_GS_BASE派上了用場，使用gs就可以直接操作TSS了。不僅如此，我們的作業系統的TSS是延長到128位元組的，104位元組以後的一小段記憶體可用於在換棧前備份當前的rsp。至此，換棧問題就完美解決了。

第44行，將rsp備份到[TSS + 104]。

第45行，切換到0特權級棧。

第47~48行，保護rcx與r11。現在的棧是安全的，可以放心使用。

第50~51行，呼叫rax指定的函式。

第53~54行，恢復rcx與r11。

第56行，恢復3特權級棧。

第58行，從快速系統呼叫返回。

第60~63行，定義了系統呼叫表。1號系統呼叫保留給後續章節使用。

接下來，請看本章程式碼23/Start.s。

_start函式是3特權級任務的真正入口，其用於使任務在結束後自動退出。

23.6 編譯與測試

本章程式碼23/Makefile增加了Syscall.s與Start.s的編譯與連結命令。

本章程式碼23/Kernel.c與23/Test.c測試了0與2號系統呼叫。

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