9.6　系统调用的实现

本节概览：先建立「系统调用的实现」的框架，再依次展开下列小节。

1. 系统调用的实现方法
2. UNIX系统调用的实现
3. Linux系统调用
4. Win32的应用程序接口

系统调用号和参数的设置：一个系统中设置了许多条系统调用，每条赋予唯一的系统调用号。

传递方法有多种：有的系统直接把调用号放在系统调用命令（陷入指令）中，如 IBM 370 和早期 UNIX 把陷入指令的低 8 位用于存放调用号；有的系统把调用号装入指定寄存器或内存单元，如 MS-DOS 放在 AH 寄存器中，Linux 用 EAX 寄存器存放。

每条系统调用都含若干参数，需把这些参数传递给陷入处理机构和系统内部的子程序。常用实现方式有以下几种。

1. 陷入指令自带方式：参数直接放在陷入指令中
2. 直接将参数送入相应的寄存器中
3. 参数表方式：将参数放在内存参数表中，把参数表首址送入某寄存器

系统调用的处理步骤：设置好系统调用号和参数后，便可执行一条系统调用命令。不同系统采用不同执行方式：UNIX 执行 CHMK 命令，MS-DOS 执行 INT 21 软中断。

系统调用处理子程序的处理过程：系统调用的功能主要由系统调用子程序完成，对不同的系统调用，其处理程序执行不同功能。

CPU 环境保护：用户程序在用户态、执行系统调用命令（CHMK）之前，应在用户空间提供系统调用所需的参数表，并将该参数表地址送入 R0 寄存器。

执行 CHMK 后，处理机由用户态转为核心态，硬件自动把处理机状态长字 PSL、程序计数器 PC 和代码操作数 code 压入用户核心栈，继而从中断和陷入向量表取出 trap.S 的入口地址，转入中断和陷入总控程序 trap.S 执行。

系统调用返回前的公共处理：UNIX 进程调度的主要依据是进程的动态优先级。随着进程执行时间加长，优先级将逐步降低。每次执行完系统调用命令并由处理子程序返回 trap.C 后，都重新计算该进程优先级。

若在系统调用执行过程中发生错误使进程无法继续运行，系统会设置再调度标志。处理子程序计算优先级后检查该标志，若已设置便调用 switch 调度程序，从就绪进程中选择优先级最高的进程把处理机让给它运行。

利用系统调用定义表转入相应处理程序：在 UNIX 中，对不同编号的系统调用都设置了相应的处理子程序。为方便转入，把各处理子程序的入口地址放入系统调用定义表 Sysent[] 中。

参数传送：trap.C 程序把系统调用参数表中的内容从用户区传送到 User 结构的 u.u_arg 中，供系统调用处理程序使用。确定系统调用号：先经硬件陷入机构处理，再进入 trap.S 保护 CPU 现场，然后调用 trap.C 继续处理。

利用系统调用定义表转入相应处理程序：UNIX 系统为不同编号的系统调用设置相应的处理子程序，将各处理子程序入口地址放入系统调用定义表 Sysent[] 中，便于转入。

系统调用返回前的公共处理：UNIX 中进程调度的主要依据是动态优先级，随执行时间加长优先级逐步降低。每次系统调用返回到 trap.C 后重新计算优先级；若执行中发生错误无法继续运行，系统会设置再调度标志。

处理子程序计算优先级后检查再调度标志：若已设置，便调用 switch 调度程序，从就绪进程中选择优先级最高的进程，把处理机让给该进程运行。

与 UNIX 相似，Linux 采用类似技术实现系统调用。Linux 在 CPU 保护模式下提供四个特权级别，目前内核只用其中两个：特权级 0（内核态）和特权级 3（用户态）。

用户对系统调用不能任意拦截和修改，以保证内核安全性。Linux 最多可以有 190 个系统调用。应用程序和 Shell 需通过系统调用机制访问 Linux 内核功能。

首先说明 API 与系统调用的区别和联系：API 是一个函数的定义，说明如何获得给定服务；系统调用是通过中断向内核发出的请求。一个 API 函数可能不与任何系统调用对应，也可调用若干系统调用，不同 API 函数可能封装相同系统调用。

Windows 程序采用事件驱动方式，即主程序等待事件发生。通过调用 Win32 API 可创建各种核心对象，如文件、进程、线程、管道等。