ARM基础：系统调用与软件中断SWI的实现

1系统调用

操作系统的主要功能是为应用程序的运行创建良好的环境，保障每个程序都可以最大化利用硬件资源，防止非法程序破坏其它应用程序执行环境，为了达到这个目的，操作系统会将硬件的操作权限交给内核来管理，用户程序不能随意使用硬件，使用硬件（对硬件寄存器进行读写）时要先向操作系统发出请求，操作系统内核帮助用户程序实现其操作，也就是说用户程序不会直接操作硬件，而是提供给用户程序一些具备预定功能的内核函数，通过一组称为系统调用的（system call)的接口呈现给用户，系统调用把应用程序的请求传给内核，调用相应的内核函数完成所需的处理，将处理结果返回给应用程序。这好比我们去银行取款，用户自己的银行帐户不可能随意操作，必须要有一个安全的操作流程和规范，银行里的布局通常被分成两部分，中间用透明玻璃分隔开，只留一个小窗口，面向用户的是用户服务区，工作人员所在区域为内部业务操作区，取款时，将银行卡或存折通过小窗口交给业务员，并且告诉他要取多少钱，具体取钱的操作你是不会直接接触的，业务员会将银行帐户里减掉取款金额，将现金给你。上述操作流程可以很好保护银行系统，银行系统的操作全部由业务员来实现，用户只能向业务员提出自己的服务请求。银行里的小窗口就类似与操作系统的系统调用接口，是将用户请求传递给内核的接口。

图3-16系统调用接口示意图

操作系统里将用户程序运行在用户模式下，并且为其分配可以使用内存空间，其它内存空间不能访问，内核态运行在特权模式下，对系统所有硬件进行统一管理和控制。从前面所学知识可以了解到，用户模式下没有权限进行模式切换，这也就意味着用户程序不可能直接通过切换模式去访问硬件寄存器，如果用户程序试图访问没有权限的硬件，会产生异常。这样用户程序被限制起来，如果用户程序想要使用硬件时怎么办呢？用户程序使用硬件时，必须调用操作系统提供的API接口才可以，而操作系统API接口通过软件中断方式切换到管理模式下，实现从用户模式下进入特权模式。

软中断是利用硬件中断的概念，用软件方式进行模拟，实现从用户模式切换到特权模式并执行特权程序的机制。

硬件中断是由电平的物理特性决定，在电平变化时引发中断操作，而软中断是通过一条具体指令SWI，引发中断操作，也就是说用户程序里可以通过写入SWI指令来切换到特权模式，当CPU执行到SWI指令时会从用户模式切换到管理模式下，执行软件中断处理。由于SWI指令由操作系统提供的API封装起来，并且软件中断处理程序也是操作系统编写者提前写好的，因此用户程序调用API时就是将操作权限交给了操作系统，所以用户程序还是不能随意访问硬件。

先来了解下SWI指令。

SWI软中断号immed_24

软中断指令相对比较简单，只有一个操作数:immed_24,SWI指令编码格式如图3-17所示。

图3-17 SWI指令编码格式

SWI指令编码中immed_24为24位任意有效立即数（范围0~2^24-1），当该指令被执行时系统产生软中断异常，切换到管理模式下。用户程序切换到管理模式下后，进入到软中断处理程序，通常软中断异常处理程序都是系统开发人员提前写好的，SWI切换到了特权模式，执行的是系统开发人员写好的异常处理程序，只要该处理程序没有问题，那么用户程序还是不能为所欲为的。

SWI指令后面的24立即数是干什么用的呢？用户程序通过SWI指令切换到特权模式，进入软中断处理程序，但是软中断处理程序不知道用户程序到底想要做什么？SWI指令后面的24位用来做用户程序和软中断处理程序之间的接头暗号。通过该软中断立即数来区分用户不同操作，执行不同内核函数。如果用户程序调用系统调用时传递参数，根据ATPCSC语言与汇编混合编程规则将参数放入R0~R4即可。下面的例子通过系统调用函数int led_on(int led_no)实现点亮第led_no个LED灯，由于C语言里没有SWI指令对应的语句，因此这儿要用到C语言与汇编混合编程，led_on函数里将参数led_no的值传递给R0，通过软中断SWI指令切换到软中断管理模式，同时R0软中断方式点亮LED灯，用户通过SWI#1指令可以点灯，具体点亮哪个灯，通过R0保存参数传递，如果亮灯成功返回对应LED号。

系统调用接口函数led_on：

#define __led_on_swi_no1//软中断号1，调用管理模式下的do_led_on函数

int led_on(int led_no){

int ret;//返回值

__asm{//由于C程序中没有SWI对应表达式，所以使用混合编程

movr0, led_no//根据ATPCS规则，r0存放第一个参数

swi__led_on_swi_no//产生SWI软中断，中断号为__led_on_swi_no

movret, r0//软中断处理结束，取得中断处理返回值，传递给ret变量

}

return ret;//将ret返回给调用led_on的语句

}

CPU执行到swi xxx执行后，产生软件中断，由异常处理部分知识可知，软中断产生后CPU将强制将PC的值置为异常向量表地址0x08，在异常向量表0x08处安放跳转指令b HandleSWI，这样CPU就跳往我们自己定义的HandleSWI处执行。

首先，软中断处理中通过STMFDSP!, {R0-R12,LR}要保存程序执行现场，将R0~R12通用寄存器数据保存在管理模式下SP栈内，LR由硬件自动保存软中断指令下一条指令的地址（后面利用LR的地址取得SWI指令编码），该寄存器值也保存在SP栈内，将来处理完毕之后返回。由SWI指令编码知识可知，SWI指令低24位保存有软中断号，通过LDR R4, [LR, #-4]指令，取得SWI指令编码（LR为硬件自动保存SWI xxx指令的下一条指令地址，LR – 4就是SWI指令地址），将其保存在R4寄存器中。通过BICR4, R4, #0xFF000000指令将SWI指令高8位清除掉，只保留低24位立即数，再根据24位立即数中的软中断号判断用户程序的请求操作。如果24位立即数为1，表示led_on系统调用产生的软中断，则在管理模式下调用对应的亮灯操作do_led_on。如果24位立即数为2，表示led_off系统调用产生的软中断，则调用灭灯操作do_led_on，根据ATPCS调用规则，R0~R3做为参数传递寄存器，在软中断处理中没有使用这4个寄存器，而是使用R4作为操作寄存器的。执行完系统调用操作之后，返回到swi_return（在调用对应系统操作时，通过LDREQLR, =swi_return设置了返回地址），执行返回处理，通过LDMIASP!, {R0-R12, PC}^指令将用户寄存器数据恢复到R0~R12，将进入软中断处理时保存的返回地址LR的值恢复给PC，实现程序返回，同时还恢复了状态寄存器。切换回用户模式下程序中继续执行。

;异常向量表开始

; 0x00:复位Reset异常

bReset

; 0x04:未定义异常（未处理）

HandleUndef

bHandleUndef

; 0x08:软件中断异常，跳往软件中断处理函数HandleSWI

b