MIT6828-HW3-xv6 system calls

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系统调用是内核中的一系列实现系统功能的子函数，本文将针对XV6中的一些系统调用进行管理。本章的配置过程如：作业1：XV6启动

第一部分：系统调用追踪

修改xv6内核，对于每一个系统调用，打印函数名和返回值以及参数，当xv6启动时，可以看到如下内容：

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...
fork -> 2
exec -> 0
open -> 3
close -> 0
$write -> 1
 write -> 1

这个是init fork，并执行了sh，sh确保只有两个文件描述符被打开，然后sh写了$，修改syscall.c下的syscall()，如下功能：

  • 打印系统调用名称
  • 打印返回值
  • 打印系统调用参数

syscall()原型如下：

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void
syscall(void)
{
  int num;
  struct proc *curproc = myproc();

  num = curproc->tf->eax;    // 系统调用的序号被保存在eax寄存器中
  if(num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {
    curproc->tf->eax = syscalls[num]();     //系统调用返回值保存在这里
  } else {
    cprintf("%d %s: unknown sys call %d\n",
            curproc->pid, curproc->name, num);
    curproc->tf->eax = -1;
  }
}

我们需要打印系统调用名称、返回值及参数，struct proc结构体描述了进程的信息，具体如下：

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struct proc {
  uint sz;                     // Size of process memory (bytes)
  pde_t* pgdir;                // Page table
  char *kstack;                // Bottom of kernel stack for this process
  enum procstate state;        // Process state
  int pid;                     // Process ID
  struct proc *parent;         // Parent process
  struct trapframe *tf;        // Trap frame for current syscall
  struct context *context;     // swtch() here to run process
  void *chan;                  // If non-zero, sleeping on chan
  int killed;                  // If non-zero, have been killed
  struct file *ofile[NOFILE];  // Open files
  struct inode *cwd;           // Current directory
  char name[16];               // Process name (debugging)
};

从这个结构体中，我们能够得到进程的名称，但是只知道进程名称是不行的，我们需要知道函数名称。我们可以看到，在syscall中有一个比较重要的结构体tf，即trapframe，这个结构体保存了CPU寄存器中的值，内容如下

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struct trapframe {
  // registers as pushed by pusha
  uint edi;
  uint esi;
  uint ebp;
  uint oesp;      // useless & ignored
  uint ebx;
  uint edx;
  uint ecx;
  uint eax;

  // rest of trap frame
  ushort gs;
  ushort padding1;
  ushort fs;
  ushort padding2;
  ushort es;
  ushort padding3;
  ushort ds;
  ushort padding4;
  uint trapno;

  // below here defined by x86 hardware
  uint err;
  uint eip;
  ushort cs;
  ushort padding5;
  uint eflags;

  // below here only when crossing rings, such as from user to kernel
  uint esp;
  ushort ss;
  ushort padding6;
};

记得在Lab1里有过使用eip寄存器函数追踪的方法，但是那个过于复杂，由于系统调用比较固定，我们直接写一个函数表用查表法实现即可：

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static char *syacall_name[] = {
    [SYS_fork] = "fork",
    [SYS_exit] = "exit",
    [SYS_wait] = "wait",
    [SYS_pipe] = "pipe",
    [SYS_read] = "read",
    [SYS_kill] = "kill",
    [SYS_exec] = "exec",
    [SYS_fstat] = "fstat",
    [SYS_chdir] = "chdir",
    [SYS_dup] = "dup",
    [SYS_getpid] = "getpid",
    [SYS_sbrk] = "sbrk",
    [SYS_sleep] = "sleep",
    [SYS_uptime] = "uptime",
    [SYS_open] = "open",
    [SYS_write] = "write",
    [SYS_mknod] = "mknod",
    [SYS_unlink] = "unlink",
    [SYS_link] = "link",
    [SYS_mkdir] = "mkdir",
    [SYS_close] = "close",
};

在syscall()中添加下面一句：

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cprintf("%s->%d\n",syacall_name[num],curproc->tf->eax);

第二部分：date System Call

第二部分要求我们完成一个date 系统调用，获取当前UTC时间并返回。

实现准备

首先，我们需要一个读取硬件时间的函数，cmostime()，这个函数定义在lapic.c。其次我们需要一个描述时间的结构体struct rtcdate（位于date.h），我们需要将一个rtcdate对象指针传递给cmostime()。我们可以参考其他系统调用的实现，输入

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grep -n uptime *.[chS]

查看和uptime系统调用有关的所有内容，并参考其完成date系统调用。根据grep -n uptime *.[chS]的结果，将该添加的函数声明及宏定义添加了

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syscall.c:106:extern int sys_date(void);
syscall.c:130:[SYS_date]    sys_date,
syscall.c:156:  [SYS_date] = "date", 
syscall.h:23:#define SYS_date   22
user.h:26:int date(struct rtcdate*);
usys.S:32:SYSCALL(date)

其次，我们创建一个date.c文件，这个文件中包含两部分，第一，这个文件包含一个main函数，即我们编译后可以产生可执行二进制文件date，输入命令date后，就会调用这个文件；第二，这个文件包含了date的实现（这个是错误的）。

然而，当我在date.c中添加了date函数定义后，我遇到了如下错误：

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/home/duan/Code/OS/xv6-public/usys.S:32: multiple definition of `date'
date.o:/home/duan/Code/OS/xv6-public/date.c:6: first defined here

提示我在文件usys.S中，date已经定义过了，打开usys.S，里面内容如下：

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#define SYSCALL(name) \
  .globl name; \
  name: \
    movl $SYS_ ## name, %eax; \
    int $T_SYSCALL; \
    ret

SYSCALL(fork)
SYSCALL(exit)
...
SYSCALL(date)

将date带入宏定义并展开，得到结果如下：

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.globl date;
date:
    movl $SYS_date, %eax;
    int $T_SYSCALL;
    ret

说明我们在usys.S中，已经通过汇编的方式，定义了date这个函数，这个函数的内容是将SYS_date移到eax，然后通过中断的方式调用sys_date，因此我们不需要再定义date，只需要编写好sys_date即可。但是这个时候我又疑惑了，我们的date()是有参数的，输入的是struct rtcdate*，但是sys_开头的系统调用函数都是没有参数的

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extern int sys_link(void);     // 系统调用全都没有参数
extern int sys_mkdir(void);
extern int sys_mknod(void);
extern int sys_open(void);

那么该如何处理输入参数呢？

解决输入参数的问题

后来我经过了一番寻找，终于找到了一个类似的需要输入参数的系统调用，即sys_mkdir。而mkdir.c中对mkdir

实现步骤

sys_date实现

在sysproc.c中实现sys_date()函数，练习系统调用的编写过程。

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int 
sys_date(void)
{
  // Your code
  char *r;
  acquire(&tickslock);
  if(argptr(0, &r, sizeof(struct rtcdate)) < 0 ){    // 如果输入的第一个参数有误，那么释放锁，然后返回
    release(&tickslock);
    return -1;
  }
  cmostime((struct rtcdate*)r);
  release(&tickslock);
  return 0;
}

在Makefile中添加调用

为了使date命令能够在xv6的shell中使用，需要在Makefile的UPROGS定义中添加_date。

date可执行程序实现

在date.c中加入如下程序

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#include "types.h"
#include "user.h"
#include "date.h"

int
main(int argc, char *argv[])
{
  struct rtcdate r;

  if (date(&r)) {
    printf(2, "date failed\n");
    exit();
  }

  // your code to print the time in any format you like...

  exit();
}

结果

最后实现的结果如下，运行make qemu打开操作系统后，输入date，将显示系统时间（命令行中的777不知道是啥，好像是在qemu和shell切换时会产生）

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参考文献

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