lab4：以time/gettimeofday系统调用为例分析ARM64 Linux 5.4.34

最新推荐文章于 2025-04-23 13:03:54 发布

懒惰的打工人

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文章标签： linux 运维服务器

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/tinyTY123/article/details/129859080

1、ARM64 Linux系统调用大致过程

（1）svc指令触发系统调用。

（2）el0_sync处的内核汇编代码保存异常发生时程序的执行现场（保存现场），然后根据异常发生的原因（ESR_EL1寄存器）跳转到el0_svc，el0_svc处会根据系统调用号找到对应的系统调用内核处理函数。

（3）接着执行系统调用内核处理函数sys_syz()。

（4）系统调用内核处理函数执行完成后，系统调用返回前，需要恢复异常发生时程序的执行现场（恢复现场），其中就包括主动设置ELR_EL1和SPSR_EL1的值，原因是异常会发生嵌套，一旦发生异常嵌套ELR_EL1和SPSR_EL1的值就会随之发生改变，所以当系统调用返回时，需要恢复之前保存的ELR_EL1和SPSR_EL1的值。

（5）内核调用异常返回指令eret，CPU自动把ELR_EL1写回PC，把SPSR_EL1写回PSTATE，并返回到用户态程序里，可以继续运行了

2、用qemu搭建arm64实验环境

与上次实验模拟x86内核调试环境相同基本步骤如下：

制作根文件系统、并打包-->配置内核，将架构调成arm64，并用arm64的交叉编译工具进行内核的编译-->用qemu启动内核

3、用户态内嵌汇编触发系统调用

因为在基于华为鲲鹏处理器的openEuler操作系统云主机环境下C库函数time内部使用的是gettimeofday系统调用，我们这里分别使用了gettimeofday库函数和内联ARM64汇编代码的方式触发系统调用了。

打开/include/uapi/asm-generic/unistd.h，找169号找到了gettimeofday系统调用且对应的内核处理函数是sys_gettimeofday：

通过ppt上的内嵌反汇编的代码出发系统调用

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>

int main()
{
      time_t tt;
      struct timeval tv;
      struct tm *t;
#if 0
      gettimeofday(&tv,NULL);
#else
      asm volatile(
          "add   x0, x29, 16\n\t"  //X0寄存器用于传递参数&tv
          "mov   x1, #0x0\n\t"     //X1寄存器用于传递参数NULL
          "mov   x8, #0xa9\n\t"   //使用X8传递系统调用号169
          "svc   #0x0\n\t"            //触发系统调用
      );
#endif
      tt = tv.tv_sec;
      t = localtime(&tt);
      printf("time: %d/%d/%d %d:%d:%d\n",
             t->tm_year + 1900,
             t->tm_mon,
             t->tm_mday,
             t->tm_hour,
             t->tm_min,
             t->tm_sec);
      return 0;
}

用户态程序执行了svc指令，这时CPU自动把VBAR_EL1寄存器的值（vectors），和第3组Synchronous的偏移量0x400相加，即vectors + 0x400，得出该异常向量空间的入口地址，然后跳转到那里，执行里面的第一条指令。

4、系统调用的参数传递和系统调用号

在ARM64架构下Linux系统调用由同步异常svc指令触发。当用户态（EL0级）程序调用库函数gettimeofday从而触发系统调用的时候，先把系统调用的参数依次放入X0-X5这6个寄存器（这里仅需要使用X0和X1两个寄存器），然后把系统调用号放在X8寄存器里，最后执行svc指令，CPU即进入内核态（EL1级）。顺便提一下svc指令一般会带一个立即数参数，一般是0x0，但并没有被Linux内核使用，而是把系统调用号放到了X8寄存器里传递。

5、ARM64处理保存现场和恢复现场

5.1保存现场

el0_sync在完成保存现场的工作之后，会根据ESR_EL1寄存器确定同步异常产生的原因，同步异常产生的原因很多，在ARM64 Linux中最常见的原因是svc指令触发了系统调用，所以排在最前面的就是条件判断跳转到el0_svc

转到内核堆栈，看到内核自动保存的现场信息，是保存x0-x30及sp、pc和pstate，这和struct pt_regs数据结构的起始部分正好一一对应。

5.2中断处理

el0_svc_common函数第1个参数regs是内核堆栈栈底的部分，主要是传递过来了系统调用参数x0-x5；第2个参数regs->regs[8]是指x8寄存器传递过来的系统调用号；第3个参数__NR_syscalls是指当前系统的系统调用总数

5.3中断返回

ret_to_user的最后是kernel_exit 0负责恢复现场，与保存现场kernel_entry 0相对应，kernel_exit 0的最后会执行eret指令系统调用返回。eret指令所做的工作与svc指令相对应，eret指令会将ELR_EL1寄存器里值恢复到程序指针寄存器PC中，把SPSR_EL1寄存器里的值恢复到PSTATE处理器状态中，同时会从内核态转换到用户态，在用户态堆栈栈顶指针sp代表的是sp_el0寄存器。