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  • 系统调用与软件中断SWI的实现

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

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    1   系统调用

    操作系统的主要功能是为应用程序的运行创建良好的环境,保障每个程序都可以最大化利用硬件资源,防止非法程序破坏其它应用程序执行环境,为了达到这个目的,操作系统会将硬件的操作权限交给内核来管理,用户程序不能随意使用硬件,使用硬件(对硬件寄存器进行读写)时要先向操作系统发出请求,操作系统内核帮助用户程序实现其操作,也就是说用户程序不会直接操作硬件,而是提供给用户程序一些具备预定功能的内核函数,通过一组称为系统调用的(system call)的接口呈现给用户,系统调用把应用程序的请求传给内核,调用相应的内核函数完成所需的处理,将处理结果返回给应用程序。这好比我们去银行取款,用户自己的银行帐户不可能随意操作,必须要有一个安全的操作流程和规范,银行里的布局通常被分成两部分,中间用透明玻璃分隔开,只留一个小窗口,面向用户的是用户服务区,工作人员所在区域为内部业务操作区,取款时,将银行卡或存折通过小窗口交给业务员,并且告诉他要取多少钱,具体取钱的操作你是不会直接接触的,业务员会将银行帐户里减掉取款金额,将现金给你。上述操作流程可以很好保护银行系统,银行系统的操作全部由业务员来实现,用户只能向业务员提出自己的服务请求。银行里的小窗口就类似与操作系统的系统调用接口,是将用户请求传递给内核的接口。   

     

    3-16系统调用接口示意图

    操作系统里将用户程序运行在用户模式下,并且为其分配可以使用内存空间,其它内存空间不能访问,内核态运行在特权模式下,对系统所有硬件进行统一管理和控制。从前面所学知识可以了解到,用户模式下没有权限进行模式切换,这也就意味着用户程序不可能直接通过切换模式去访问硬件寄存器,如果用户程序试图访问没有权限的硬件,会产生异常。这样用户程序被限制起来,如果用户程序想要使用硬件时怎么办呢?用户程序使用硬件时,必须调用操作系统提供的API接口才可以,而操作系统API接口通过软件中断方式切换到管理模式下,实现从用户模式下进入特权模式。

    2   软件中断

    软中断是利用硬件中断的概念,用软件方式进行模拟,实现从用户模式切换到特权模式并执行特权程序的机制。

    硬件中断是由电平的物理特性决定,在电平变化时引发中断操作,而软中断是通过一条具体指令SWI,引发中断操作,也就是说用户程序里可以通过写入SWI指令来切换到特权模式,当CPU执行到SWI指令时会从用户模式切换到管理模式下,执行软件中断处理。由于SWI指令由操作系统提供的API封装起来,并且软件中断处理程序也是操作系统编写者提前写好的,因此用户程序调用API时就是将操作权限交给了操作系统,所以用户程序还是不能随意访问硬件。

    先来了解下SWI指令。

    SWI 软中断号immed_24

    软中断指令相对比较简单,只有一个操作数:immed_24,SWI指令编码格式如图3-17所示。

    3-17 SWI指令编码格式

    SWI指令编码中immed_2424位任意有效立即数(范围0~2^24-1),当该指令被执行时系统产生软中断异常,切换到管理模式下。用户程序切换到管理模式下后,进入到软中断处理程序,通常软中断异常处理程序都是系统开发人员提前写好的,SWI切换到了特权模式,执行的是系统开发人员写好的异常处理程序,只要该处理程序没有问题,那么用户程序还是不能为所欲为的。

    SWI指令后面的24立即数是干什么用的呢?用户程序通过SWI指令切换到特权模式,进入软中断处理程序,但是软中断处理程序不知道用户程序到底想要做什么?SWI指令后面的24位用来做用户程序和软中断处理程序之间的接头暗号。通过该软中断立即数来区分用户不同操作,执行不同内核函数。如果用户程序调用系统调用时传递参数,根据ATPCSC语言与汇编混合编程规则将参数放入R0~R4即可。下面的例子通过系统调用函数int led_on(int led_no)实现点亮第led_no LED灯,由于C语言里没有SWI 指令对应的语句,因此这儿要用到C语言与汇编混合编程,led_on函数里将参数led_no的值传递给R0,通过软中断SWI指令切换到软中断管理模式,同时R0 软中断方式点亮LED灯,用户通过SWI  #1指令可以点灯,具体点亮哪个灯,通过R0保存参数传递,如果亮灯成功返回对应LED号。

    系统调用接口函数led_on

    #define __led_on_swi_no                          1                 // 软中断号1调用管理模式下的do_led_on函数

    int led_on(int led_no){

             int ret;                                              // 返回值

              __asm{                                            // 由于C程序中没有SWI对应表达式,所以使用混合编程

                       mov  r0, led_no                     // 根据ATPCS规则,r0存放第一个参数

                       swi    __led_on_swi_no         // 产生SWI软中断,中断号为__led_on_swi_no

                       mov  ret, r0                            // 软中断处理结束,取得中断处理返回值,传递给ret变量

             }

             return ret;                                                  // ret返回给调用led_on的语句

    }

    3   软中断处理

    CPU执行到swi xxx执行后,产生软件中断,由异常处理部分知识可知,软中断产生后CPU将强制将PC的值置为异常向量表地址0x08,在异常向量表0x08处安放跳转指令b HandleSWI,这样CPU就跳往我们自己定义的HandleSWI处执行。

    首先,软中断处理中通过STMFD  SP!, {R0-R12,  LR}      要保存程序执行现场,将R0~R12通用寄存器数据保存在管理模式下SP栈内,LR由硬件自动保存软中断指令下一条指令的地址(后面利用LR的地址取得SWI指令编码),该寄存器值也保存在SP栈内,将来处理完毕之后返回。由SWI指令编码知识可知, SWI指令低24位保存有软中断号,通过LDR R4, [LR, #-4]指令,取得SWI指令编码(LR为硬件自动保存SWI xxx指令的下一条指令地址,LR – 4就是SWI指令地址),将其保存在R4寄存器中。通过BIC      R4, R4, #0xFF000000指令将SWI指令高8位清除掉,只保留低24位立即数,再根据24位立即数中的软中断号判断用户程序的请求操作。如果24位立即数为1,表示led_on系统调用产生的软中断,则在管理模式下调用对应的亮灯操作do_led_on。如果24位立即数为2,表示led_off系统调用产生的软中断,则调用灭灯操作do_led_on,根据ATPCS调用规则,R0~R3做为参数传递寄存器,在软中断处理中没有使用这4个寄存器,而是使用R4作为操作寄存器的。执行完系统调用操作之后,返回到swi_return(在调用对应系统操作时,通过LDREQ    LR, =swi_return设置了返回地址),执行返回处理,通过LDMIA    SP!, {R0-R12, PC}^ 指令将用户寄存器数据恢复到R0~R12,将进入软中断处理时保存的返回地址LR的值恢复给PC,实现程序返回,同时还恢复了状态寄存器。切换回用户模式下程序中继续执行。

    ; 异常向量表开始

    ; 0x00: 复位Reset异常

             b       Reset

     

    ; 0x04: 未定义异常(未处理)

    HandleUndef

               b       HandleUndef

     

    ; 0x08: 软件中断异常,跳往软件中断处理函数HandleSWI

        b         HandleSWI

    … …

    ; 省略其它异常向量和对应处理

    … …

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

    ; 软中断处理

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

    IMPORT do_led_on

    IMPORT do_led_off

    HandleSWI

             STMFD     SP!, {R0-R12,  LR}            ; 保存程序执行现场

             LDR R4, [LR, #-4]                                   ; LR - 4 为指令" swi xxx" 的地址,低24位是软件中断号

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

              

             CMP          R4, #1                                    ; 判断24位立即数,如果为1,调用do_led_on系统调用

             LDREQ     LR, =swi_return                    ; 软中断处理返回地址

             LDREQ     PC, = do_led_on                    ; 软中断号1对应系统调用处理

              

             CMP          R4, #2                                    ; 判断24位立即数,如果为2,调用do_led_off系统调用

             LDREQ     LR, =swi_return                    ; 软中断处理返回地址

             LDREQ     PC, = do_led_off                            ; 软中断号2对应系统调用处理

              

             MOVNE    R0, #-1                                   ; 没有该软中断号对应函数,出错返回-1

    swi_return

             LDMIA     SP!, {R0-R12, PC}^             ; 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr

    1.1.4   led系统调用实验

    本实验通过Led跑马灯效果来模拟系统调用,本程序提供了两个系统调用接口led_onled_off,用户程序main.c通过引入头文件led.h使用系统调用接口,用户调用led_onled_off时通过软中断指令切换到管理模式,在管理模式下调用内核led操作系统do_led_ondo_led_off,实现Led的亮灭。实验源码适用于QQ2440TQ2440MINI2440开发板。

    head.s

    本程序文件主要用于安装异常向量表,Reset异常处理,软中断处理和必要硬件初始化。

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

    ; 系统调用实验(QQ2440, MINI2440,TQ2440

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

    GPBCON   EQU      0x56000010

    GPBDAT    EQU      0x56000014   

    SYS_STACK_BASE EQU    0x33000000    

    EXPORT   SWI_LED

    AREA        SWI_LED ,CODE,READONLY

    ENTRY

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

    ; 设置中断向量,ResetHandleSWI外,其它异常都没有使用(如果不幸发生了,

    ; 将导致死机)

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

    ; 0x00: 复位Reset异常

    b        Reset

     

    ; 0x04: 未定义异常未处理

    HandleUndef

    b        HandleUndef

     

    ; 0x08: 软件中断异常,跳往软件中断处理函数HandleSWI

    b        HandleSWI

     

    ; 0x0c: 指令预取异常未处理

    HandlePrefetchAbt

    b        HandlePrefetchAbt

     

    ; 0x10: 数据访问中止异常未处理

    HandleDataAbt

    b        HandleDataAbt

     

    ; 0x14: 未使用异常未处理

    HandleNotUsed

    b        HandleNotUsed

     

    ; 0x18: 一般中断异常未处理

    HandleIRQ

    b        HandleIRQ

     

    ; 0x1c: 快速中断异常未处理

    HandleFIQ

    b        HandleFIQ

     

    Reset                                                                          ; 复位异常处理入口

    ; 关闭看门狗

    ldr  r0, = 0x53000000

    mov  r1, #0

    str  r1, [r0]

    bl  initmem

     

    ldr      sp,     =0x32000000                                           ; 设置管理模式栈指针

    ; LED灯初始化

    ldr  r0, =GPBCON                                                   ; LEDGPIO接口配置寄存器

    ldr  r1, =0x00015400                                                ; GPIO配置数据

    str  r1, [r0]                                                              ; 设置GPIO

             

    ldr  r0, =GPBDAT                                                              ; Led数据寄存器

    ldr  r1, =0x1e0                                                          ; 熄灭所有Led

    str  r1, [r0]

     

    msr    cpsr_c,       #0xdf        

    ldr      sp, =SYS_STACK_BASE

    msr    cpsr_c,       #0x50                                   ; 开启系统中断,进入用户模式,该指令执行完

                                                                           ; 就进入用户空间,执行用户程序xmain

     

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

    IMPORT xmain

    ldr      pc,     =xmain                                            ; 跳入主函数main里执行

              

    halt_loop

    b   halt_loop

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

    ; 软中断处理

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

    IMPORT do_led_on

    IMPORT do_led_off

    HandleSWI

    STMFD      SP!, {R0-R12,  LR}   ; 保存程序执行现场

    LDR   R4, [LR, #-4]                     ; LR - 4 为指令" swi xxx" 的地址指令低24位软件中断号

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

             

    CMP           R4, #1                           ; 判断24位立即数的值如果为1调用do_led_on系统调用

    LDREQ      LR, =swi_return           ; 软中断处理返回地址

    LDREQ      PC, = do_led_on          ; 软中断号1对应系统调用处理

             

    CMP           R4, #2                           ; 判断24位立即数的值如果为2调用do_led_off系统调用

    LDREQ      LR, =swi_return           ; 软中断处理返回地址

    LDREQ      PC, = do_led_off                   ; 软中断号2对应系统调用处理

             

    MOVNE    R0, #-1                         ; 没有该软中断号对应函数出错返回-1

              

    swi_return

    LDMIA      SP!, {R0-R12, PC}^    ; 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr

              

    initmem

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

    ldr  r1, =0x48000034                     ; 内存控制寄存器结束地址

    adr  r2, memdata                                     ; 加载寄存器设置数据区首地址

    initmemloop

    ldr  r3, [r2], #4

    str  r3, [r0], #4

    teq  r0, r1

    bne  initmemloop                                     ; 循环设置每一个寄存器

    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                                                ; 代码结束

    main.c:

    本程序文件是用户程序xmain主要实现跑马灯效果通过使用系统调用led_onled_off实现Led控制。

    #include "led.h"

     

    /* 亮灯延时 */

    void delay(int msec)

    {

             int i, j;

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

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

                        /* do nothing */;

    }

     

    /* 主函数跑马灯效果 */

    int xmain()

    {

             while(1)

             {

                  led_on(1);

                  delay(5);              //delay

          

                 led_on(2);

                 delay(5);              //delay

          

                 led_on(3);

                 delay(5);              //delay

          

                 led_on(4);

                 delay(5);              //delay

          

                 led_off(1);

                 delay(5);              //delay

          

                 led_off(2);

                 delay(5);              //delay

          

                 led_off(3);

                 delay(5);              //delay

          

                 led_off(4);

                 delay(5);              //delay

        }

        return 0;

    }

     

    led_lib.c

    本程序文件是系统调用函数led_on, led_off的具体实现,通过swi软中断提交硬件访问请求,将具体请求以软中断号的方式通过参数传递给内核空间。

    #include "led.h"

     

    #define __led_on_swi_no                1                 // 软中断号1,调用管理模式下的do_led_on函数

    #define __led_off_swi_no                2                 // 软中断号2,调用管理模式下的do_led_off函数

     

    int led_on(int led_no){

             int ret;                                                       // 返回值

              __asm{                                                     // 由于C程序中没有SWI对应表达式,所以使用混合编程

                       mov  r0, led_no                               // 根据ATPCS规则,r0存放第一个参数

                       swi    __led_on_swi_no                  // 产生SWI软中断,中断号为__led_on_swi_no

                       mov  ret, r0                                     // 软中断处理结束,取得中断处理返回值,传递给ret变量

             }

             return ret;                                                           // ret返回给调用led_on的语句

    }

     

     

    int led_off(int led_no){          

             int ret;                                                       // 返回值

              __asm{                                                     // 由于C程序中没有SWI对应表达式,所以使用混合编程

                       mov  r0, led_no                               // 根据ATPCS规则,r0存放第一个参数

                       swi    __led_off_swi_no                       // 产生SWI软中断,中断号为__led_off_swi_no

                       mov  ret, r0                                     // 软中断处理结束,取得中断处理返回值,传递给ret变量

             }                                                              

             return ret;                                                           // ret返回给调用led_off的语句

    }

    led.h

    Led系统调用头文件。

    extern int led_on(int num);

    extern int led_off(int num);

    sys_call.c

    本程序文件主要是系统调用接口内核空间do_led_ondo_led_off函数的实现。

    #include "register.h"

    /* Led1~Led4初始化 */

    #define LED1       (1<<5)                          //LED1 GPBDAT[5]

    #define LED2       (1<<6)                          //LED2 GPBDAT[6]

    #define LED3       (1<<7)                          //LED3 GPBDAT[7]

    #define LED4       (1<<8)                          //LED4 GPBDAT[8]

     

    /* 点亮对应numLed */

    extern int do_led_on (int num)

    {

      switch(num)

      {

               case 1:

                        GPBDAT = GPBDAT & ~LED1; break;

               case 2:

                        GPBDAT = GPBDAT & ~LED2; break;

               case 3:

                        GPBDAT = GPBDAT & ~LED3; break;

               case 4:

                        GPBDAT = GPBDAT & ~LED4; break;

               default:

                        return 0;

      }

      return num;

    }

     

    /* 关闭对应numLed */

    extern int do_led_off(int num)

    {

      switch(num)

      {

               case 1:

                        GPBDAT = GPBDAT | LED1; break;

               case 2:

                        GPBDAT = GPBDAT | LED2; break;

               case 3:

                        GPBDAT = GPBDAT | LED3; break;

               case 4:

                        GPBDAT = GPBDAT | LED4; break;

               default:

                        return 0;

      }

      return num;

    }

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