第9课：系统调用和可执行程序 下载源代码
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译者：http://www.cppblog.com/jinglexy
原作者：xiaoming.mo at skelix dot org
MSN & Email: jinglexy at yahoo dot com dot cn
目标
这一节中，我们来实现从磁盘加载应用程序并执行它，以及给这个应用程序系统调用的能力。
系统调用
经过前面一系列的课程，我们基本上建立了一个OS的各个简单组件，确实非常简单，没有什么复杂的算法和架构。现在再来实现一个简单的shell控制，一般的shell处理流程是：getty()打印登录提示符，等待用户login，然后执行bash。这里，我当然不想实现一个shell，也不想写什么getty。这一节中，skelix将从磁盘加载一个可执行程序并执行它，就像常用的*nix OS一样。
由于slelix的虚拟内存管理部分还没有做好，所有的任务共享同一个地址空间。我们采取一个简单的方法，程序从磁盘中加载到地址0x100000，放到"/"根目录下面。
要注意的是，用户任务不能访问内核地址空间，所以一些函数如kprintf, print_c等也不能再使用了（实际上是可以的，因为我们没有实现虚拟内存管理，这里先假定不能使用它们）。大多数的操作系统都提供了一些API或系统调用来执行这些函数。现在先添加一个系统调用：
09/isr.s
sys_print:
pushl %esi # 背景颜色
pushl %edi # 前景颜色
pushl %ebx # 要打印的字符
cli # 中断门会字节关掉EFLAGS 的IF位，系统调用却不行
call print_c
sti
addl $12, %esp
ret
恨简单，不是吗？上面系统调用有三个参数，esi是背景颜色，edi是前景颜色，ebx是要打印的字符。这个系统调用只打印一个字符，起始就是用户程序对内核print_c函数的一个wrapper。
理论上说，用户任务不能直接使用print_c函数，也不应当知道有这个函数存在。唯一的方法就是使用系统调用，以此提供给用户一个可用的接口。DOS 操作系统提供了int 0x21作为系统服务，linux 提供int 0x80系统调用，本节中模仿linux在IDT 中添加一个号码0x80 的系统调用。
现在我们只用到了IDT 中断的34项，所以其余的项都可以拿来使用，但是我们只需要0x80已足够。在IDT中建立一个386 的陷阱门就行了，陷阱门和中断门非常类似，只是E 位的类型用8替代，并且DPL 特权级设置为3。
09/init.c
static void
sys_call_install(void) {
unsigned long long sys_call_entry = 0x0000ef0000080000ULL
| ((unsigned long long)CODE_SEL<<16);
sys_call_entry |= ((unsigned long long)sys_call<<32)
& 0xffff000000000000ULL;
sys_call_entry |= ((unsigned long long)sys_call) & 0xffff;
idt[SYS_CALL] = sys_call_entry;
}
宏SYS_CALL 值为0x80。
现在我们来看下0x80的陷阱门处理例程：
09/isr.s
sys_call:
cmpl $1, %eax
jb 1f
iret
1:
pushal
call *sys_call_table(, %eax, 4)
popal
iret
我尽量做到简单，虽然很多东西没有考虑周全，这样做可以降低学习成本。该例程判断系统调用号，即存储在eax中的值，然后查找函数表：sys_call_table。
函数表定义如下：
09/syscall.c
void (*sys_call_table[VALID_SYSCALL])(void) = {sys_print};
VALID_SYSCALL 宏定义为1, of course
系统调用测试函数
现在我们来做一个用户任务的系统调用测试函数：
09/color.c
void
color(void) {
int i, j;
for (i=0; i<16; ++i)
for (j=0; j<16; ++j)
__asm__ ("int $0x80"::"S"(i),"D"(j),"b"('X'),"a"(0));
for (;;)
;
}
按例，最简单实现。这个函数打印一些“X”字符，以不同的前景和背景颜色。还有一个问题，怎样把它存储在磁盘上呢，在没有shell的情况下（否则可以用cp来拷贝了）。解决的方法是另外写一个程序把程序直接写到磁盘上：实现一个ghex.c程序来把color可执行程序的内容打印出来，在内核里面再把可执行文件写到磁盘上。
Makefile也得修改一下：
09/Makefile
all: final.img color
color: color.o
${LD} --oformat binary -N -e color -Ttext 0x100000 -o color $<
上面的命令把color.o文件生成一个二进制可执行文件，入口点在color函数，代码段逻辑地址从0x100000开始。
（color.c由主机上的gcc编译器编译，ld链接）
现在把这些二进制数据（显示命令是：./ghex ../color）写到磁盘上：
09/fs.c
void
install_color(void) {
struct SUPER_BLOCK sb;
char sect[512] = {0};
struct DIR_ENTRY *de = NULL;
int inode = -1;
struct INODE clnode;
unsigned int blk = 0;
unsigned char color[] =
{0x57,0x56,0x53,0x83,0xec,0x08,0xc7,0x44,0x24,0x04,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x83,0x7c,0x24,0x04,0x0f,0x7f,0x2e,0xc7,0x04,0x24,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x83,0x3c,0x24,0x0f,0x7f,0x19,0x8b,0x74,
0x24,0x04,0x8b,0x3c,0x24,0xbb,0x58,0x00,0x00,0x00,0xb8,0x00,
0x00,0x00,0x00,0xcd,0x80,0x89,0xe0,0xff,0x00,0xeb,0xe1,0x8d,
0x44,0x24,0x04,0xff,0x00,0xeb,0xcb,0xeb,0xfe};
sb.sb_start = *(unsigned int *)(HD0_ADDR);
hd_rw(ABS_SUPER_BLK(sb), HD_READ, 1, sect);
memcpy(&sb, sect, sizeof(struct SUPER_BLOCK));
inode = alloc_inode(&sb);
assert(inode > 0);
blk = alloc_blk(&sb);
assert(blk != 0);
clnode.i_block[0] = blk;
hd_rw(blk, HD_WRITE, 1, color);
clnode.i_mode = FT_NML;
clnode.i_size = sizeof color;
iput(&sb, &clnode, inode);
// 为color程序分配新的inode节点和块
hd_rw(iroot.i_block[0], HD_READ, 1, sect);
de = &((struct DIR_ENTRY *)sect)[2];
strcpy(de->de_name, "color");
de->de_inode = inode;
hd_rw(iroot.i_block[0], HD_WRITE, 1, sect);
// 把color程序放到根目录"/"下面
iget(&sb, &iroot, 0);
iroot.i_size = 3*sizeof(struct DIR_ENTRY);
iput(&sb, &iroot, 0);
// 搞定
}
// color程序已经写到磁盘上了，再把它加载到内存地址0x100000
09/fs.c
void
load_color(void) {
struct INODE inode;
struct SUPER_BLOCK sb;
char sect[512] = {0};
sb.sb_start = *(unsigned int *)(HD0_ADDR);
hd_rw(ABS_SUPER_BLK(sb), HD_READ, 1, sect);
memcpy(&sb, sect, sizeof(struct SUPER_BLOCK));
iget(&sb, &inode, 1);
/* 只是简单的把color加载到虚拟地址0x100000（也是物理地址0x100000） */
hd_rw(inode.i_block[0], HD_READ, 1, (void *)0x100000);
}
还记得以前运行的task1_run 和task2_run这两个任务吗，它们只是做一些轮流在屏幕上打印字符的无聊工作。我们把task1换成执行磁盘中的color程序：
09/init.c
void
do_task1(void) {
__asm__ ("incb 0xb8000+160*24+2");
load_color();
__asm__ ("jmp 0x100000");
}
最后在check_root()函数中添加一些安装函数：
09/fs.c
if (! testb(sect, 0)) {
kprintf(KPL_DUMP, "/ has not been created, creating....\t\t\t\t\t ");
if (alloc_inode(&sb) != 0) {
kprintf(KPL_PANIC, "\n/ must be inode 0!!!\n");
halt();
}
iroot.i_block[0] = alloc_blk(&sb);
iput(&sb, &iroot, 0);
hd_rw(iroot.i_block[0], HD_READ, 1, sect);
de = (struct DIR_ENTRY *)sect;
strcpy(de->de_name, ".");
de->de_inode = 0;
++de;
strcpy(de->de_name, "..");
de->de_inode = -1;
hd_rw(iroot.i_block[0], HD_WRITE, 1, sect);
kprintf(KPL_DUMP, "[DONE]");
if (iroot.i_size == 2*sizeof(struct DIR_ENTRY))
install_color();
}
编译，运行一下。如果一起正常的话，应该是color任务打印一系列的彩色字符。很有成就感吧：）
到此为止，这一系列的课程就结束了，大家可以继续深入下去，linux内核是一个值得学习的好kernel，
而且也有一些较好的书籍，如情景分析，ULK2，In A Nut Shell等。
学习是一件愉快的事情，当然也少不了挫折和煎熬。态度才是第一位，祝大家进步：）
丁亥年四月廿四 于上海体育馆
http://www.cppblog.com/jinglexy
天衣有缝