Разработка ядра Linux - Роберт Лав

/*

* This file contains the system call numbers.

*/

#define __NR_restart_syscall 0

#define __NR_exit 1

#define __NR_fork 2

#define __NR_read 3

#define __NR_write 4

#define __NR_open 5

...

#define __NR_mq_unlink       278

#define __NR_mq_timedsend    279

#define __NR_mq_timedreceive 280

#define __NR_mq_notify       281

#define __NR_mq_getsetattr   282

В конец файла добавляется следующая строка.

#define __NR_foo 283

В конце концов необходимо реализовать сам системный вызов foo(). Так как системный вызов должен быть вкомпилорован в образ ядра во всех конфигурациях, мы его поместим в файл kernel/sys.c. Код необходимо размещать в наиболее подходящем файле. Например, если функция относится к планированию выполнения процессов, то ее необходимо помещать в файл sched.c.

/*

* sys_foo - всеми любимый системный вызов.

*

* Возвращает размер стека ядра процесса

*/

asmlinkage long sys_foo(void) {

 return THREAD_SIZE;

}

Это все! Загрузите новое ядро. Теперь из пространства пользователя можно вызвать системную функцию foo().

Доступ к системным вызовам из пространства пользователя

В большинстве случаев системные вызовы поддерживаются библиотекой функций языка С. Пользовательские приложения могут получать прототипы функций из стандартных заголовочных файлов и компоновать программы с библиотекой С для использования вашего системного вызова (или библиотечной функции, которая вызывает ваш системный вызов). Однако если вы только что написали системный вызов, то маловероятно, что библиотека glibc уже его поддерживает!

К счастью, ОС Linux предоставляет набор макросов-оболочек для доступа к системным вызовам. Они позволяют установить содержимое регистров и выполнить машинную инструкцию int $0x80. Эти макросы имеют имя syscalln(), где n — число от нуля до шести. Это число соответствует числу параметров, которые должны передаваться в системный вызов, так как макросу необходима информация о том, сколько ожидается параметров, и соответственно, нужно записать эти параметры в регистры процессора. Например, рассмотрим системный вызов open(), который определен следующим образом.

long open(const char *filename, int flags, int mode)

Макрос для вызова этой системной функции будет выглядеть так.

#define NR_open 5

_syscall3(long, NR_open, const char*, filename, int, flags, int, mode);

После этого приложение может просто вызывать функцию open().

Каждый макрос принимает 2 + 2*n параметров. Первый параметр соответствует типу возвращаемого значения системного вызова. Второй параметр — имя системного вызова. После этого следуют тип и имя каждого параметра в том же порядке, что и у системного вызова. Постоянная NR_open, которая определена в файле <asm/unistd.h>, — это номер системного вызова. В функцию на языке программирования С такой вызов превращается с помощью вставок на языке ассемблера, которые выполняют рассмотренные в предыдущем разделе шаги. Значения аргументов помещаются в соответствующие регистры, и выполняется программное прерывание, которое перехватывается в режиме ядра. Вставка данного макроса в приложение — это все, что необходимо для выполнения системного вызова open().

Напишем макрос, который позволяет вызвать нашу замечательную системную функцию, и соответствующий код, который позволяет этот вызов протестировать.

#define __NR_foo 283

__syscall0()(long, foo)

int main() {

 long stack_size;

stack_size = foo();

 printf("Размер стека ядра равен %ldn" , stack_size);

 return 0;

}

Почему не нужно создавать системные вызовы

Новый системный вызов легко реализовать, тем не менее это необходимо делать только тогда, когда ничего другого не остается. Часто, для того чтобы обеспечить новый системный вызов, существуют более подходящие варианты. Давайте рассмотрим некоторые "за" и "против" и возможные варианты.

Для создания нового интерфейса в виде системного вызова могут быть следующие "за".

• Системные вызовы просто реализовать и легко использовать.

• Производительность системных вызовов в операционной системе Linux очень высока.

Возможные "против".

• Необходимо получить номер системного вызова, который должен быть официально назначен в период работы над разрабатываемыми сериями ядер.

• После того как системный вызов включен в стабильную серию ядра, он становится "высеченным в камне". Интерфейс не должен меняться, чтобы не нарушить совместимости с прикладными пользовательскими программами.

• Для каждой аппаратной платформы необходимо регистрировать отдельный системный вызов и осуществлять его поддержку.

• Для простого обмена информацией системный вызов — это "стрельба из пушки по воробьям".

Возможные варианты.

• Реализовать файл устройства и использовать функции read() и write() для этого устройства, а также использовать функцию ioctl() для манипуляции специфическими параметрами или для получения специфической информации.

• Некоторые интерфейсы, например семафоры, могут быть представлены через дескрипторы файлов. Управлять этими устройствами также можно по аналогии с файлами.

• Добавить информационный файл в соответствующем месте файловой системы sysfs.

Для большого числа интерфейсов, системные вызовы — это правильный выбор. В операционной системе Linux пытаются избегать простого добавления системного вызова для поддержки каждой новой, вдруг появляющейся абстракции. В результате получился удивительно четкий уровень системных вызовов, который принес очень мало разочарований и привел к малому числу не рекомендованных к использованию и устаревших (deprecated) интерфейсов (т.е. таких, которые больше не используются или не поддерживаются).

Малая частота добавления новых системных вызовов свидетельствует о том, что Linux — это стабильная операционная система с полным набором функций. Очень немного системных вызовов было добавлено во время разработки серий ядер 2.3 и 2.5. Большая часть из новых системных вызовов предназначена для улучшения производительности.

В заключение о системных вызовах

В этой главе было рассмотрено, что такое системные вызовы и как они соотносятся с вызовами библиотечных функций и интерфейсом прикладных программ (API). После этого было описано, как системные вызовы реализованы в ядре Linux, а также была представлена последовательность событий для выполнения системного вызова: программное прерывание ядра, передача номера системного вызова и аргументов системного вызова, выполнение соответствующей функции системного вызова и возврат результатов работы в пространство пользователя.

Далее было рассказано, как добавить новый системный вызов, и был приведен простой пример использования системного вызова из пространства пользователя. Весь процесс является достаточно простым! Из простоты создания системного вызова следует, что основная работа по добавлению нового системного вызова сводится к реализации функции системного вызова. В оставшейся части книги рассмотрены основные принципы, а также интерфейсы, которые необходимо использовать при создании хорошо работающих, оптимальных и безопасных системных вызовов.

В конце главы были рассмотрены "за" и "против" относительно реализации системных вызовов и представлен краткий список возможных вариантов добавления новых системных вызовов.

Глава 6

Прерывания и обработка прерываний

Управление аппаратными устройствами, которые подключены к вычислительной машине, — это одна из самых ответственных функций ядра. Частью этой работы является необходимость взаимодействия с отдельными устройствами машины. Поскольку процессоры обычно работают во много раз быстрее, чем аппаратура, с которой они должны взаимодействовать, то для ядра получается неэффективным отправлять запросы и тратить время, ожидая ответы от потенциально более медленного оборудования. Учитывая небольшую скорость отклика оборудования, ядро должно иметь возможность оставлять на время работу с оборудованием и выполнять другие действия, пока аппаратное устройство не закончит обработку запроса. Одно из возможных решений этой проблемы — периодический опрос оборудования (polling). Ядро периодически может проверять состояние аппаратного устройства системы и соответственным образом реагировать. Однако такой подход вносит дополнительные накладные расходы, потому что, независимо от того, готов ответ от аппаратного устройства или оно еще выполняет запрос, все равно осуществляется постоянный систематический опрос состояния устройства через постоянные интервалы времени. Лучшим решением является обеспечение механизма, который позволяет подавать ядру сигнал о необходимости уделить внимание оборудованию. Такой механизм называется прерыванием (interrupt).