Raspberry Pi OS 项目解析：用户进程与系统调用实现

Raspberry Pi OS 项目解析：用户进程与系统调用实现

raspberry-pi-os Learning operating system development using Linux kernel and Raspberry Pi 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ra/raspberry-pi-os

系统调用基础概念

在操作系统开发中，系统调用（System Call）是用户空间程序与内核交互的标准接口。Raspberry Pi OS 通过实现系统调用机制，为用户程序提供了受限访问内核功能的能力。

系统调用的核心原理是利用处理器提供的异常机制。当用户程序需要执行特权操作时，通过特定指令（如ARM架构的svc）触发同步异常，处理器将控制权转移到内核定义的处理函数。这种设计实现了以下关键特性：

1. 权限隔离：用户程序运行在EL0（非特权模式），内核运行在EL1（特权模式）
2. 安全性：内核可以验证所有请求参数后再执行操作
3. 稳定性：统一的接口保证应用程序的可移植性

Raspberry Pi OS 的系统调用实现

系统调用类型

Raspberry Pi OS 实现了四种基础系统调用：

1. write：屏幕输出功能

   • 参数：包含待输出文本的缓冲区指针
   • 功能：通过UART设备将文本输出到屏幕

2. clone：创建新线程

   • 参数：新线程的栈位置
   • 功能：创建与当前进程相同的用户线程

3. malloc：内存分配

   • 返回值：新分配页面的指针或错误代码
   • 特殊说明：这是一个临时实现，待虚拟内存系统完成后将被替代

4. exit：进程终止

   • 功能：执行进程清理工作并终止

系统调用处理流程

1. 用户空间触发：

   mov w8, #SYS_WRITE_NUMBER  // 设置系统调用号
   svc #0                     // 触发同步异常
   

2. 异常处理入口：

   • 处理器自动切换到EL1模式
   • 跳转到预设的异常向量表处理程序

3. 异常分类处理：

   mrs x25, esr_el1          // 读取异常原因寄存器
   lsr x24, x25, #ESR_ELx_EC_SHIFT
   cmp x24, #ESR_ELx_EC_SVC64 // 检查是否为系统调用
   

4. 系统调用分发：

   • 验证系统调用号范围
   • 从系统调用表获取处理函数地址
   • 执行对应的处理函数

5. 返回用户空间：

   • 保存返回值
   • 恢复用户上下文
   • 执行eret指令返回EL0

用户模式与特权模式切换

上下文保存与恢复

在模式切换过程中，处理器状态的保存与恢复至关重要：

1. kernel_entry宏：

   • 根据来源异常级别(EL0/EL1)选择正确的栈指针
   • 保存通用寄存器、返回地址和处理器状态

2. kernel_exit宏：

   • 恢复保存的上下文
   • 特别注意sp_el0的恢复
   • 通过eret指令返回

关键寄存器说明

• ESR_EL1：异常原因寄存器，包含异常类别等信息
• SPSR_EL1：保存的处理器状态，决定eret返回后的特权级别
• SP_EL0：EL0级别的栈指针，必须单独保存

用户进程创建机制

从内核线程到用户进程

Raspberry Pi OS采用两步法创建用户进程：

1. 创建内核线程：

   int res = copy_process(PF_KTHREAD, (unsigned long)&kernel_process, 0, 0);
   

2. 切换到用户模式：

   int err = move_to_user_mode((unsigned long)&user_process);
   

move_to_user_mode关键操作

1. 准备pt_regs结构体：

   • 设置pc指向用户入口函数
   • 配置pstate为PSR_MODE_EL0t
   • 分配用户栈并设置sp

2. 通过异常返回到用户模式：

   kernel_exit 0  // 0表示从EL0进入的异常
   

用户进程fork实现

clone系统调用实现了用户进程的复制：

1. 用户空间封装：

   int pid = clone(user_stack);
   

2. 内核处理：

   • 调用copy_process创建新任务
   • 复制父进程寄存器状态
   • 设置新的用户栈指针

3. 子进程启动：

   • 从fork返回0
   • 执行指定函数
   • 结束后调用exit

关键数据结构

pt_regs结构

保存异常发生时的处理器状态：

struct pt_regs {
    unsigned long regs[31]; // 通用寄存器
    unsigned long sp;      // 栈指针
    unsigned long pc;      // 程序计数器
    unsigned long pstate;  // 处理器状态
};

任务控制块

扩展了上一版本的任务结构：

• 新增用户栈指针(stack)
• 增加标志位区分内核/用户线程
• 维护抢占计数器(preempt_count)

总结与展望

本篇文章详细分析了Raspberry Pi OS中用户进程和系统调用的实现机制。通过系统调用接口和特权级别隔离，操作系统为用户程序提供了安全受限的执行环境。当前实现还存在以下待改进点：

1. 缺乏虚拟内存支持（将在第6课实现）
2. 系统调用种类较少
3. 错误处理机制简单

这些功能将在后续版本中逐步完善，构建更完整的操作系统功能集。

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