RISC-V Syscall 系列1：什么是 Syscall ?

塞巴斯蒂安

Author:  envestcc chen1233216@hotmail.com
Date:    2022/06/14
Revisor: walimis、Falcon
Project: RISC-V Linux 内核剖析
Sponsor: PLCT Lab, ISCAS

该系列活动推荐统一采用泰晓科技技术社区自研的 Linux Lab 开源实验环境，也可直接采用社区自研的免安装即插即跑 Linux Lab Disk（https://tinylab.org/linux-lab-disk），又称泰晓 Linux 实验盘，某宝检索“泰晓 Linux”可找到。

RISC-V Syscall 系列1：什么是 Syscall ?

一、什么是 Syscall ?

（图片源自 wikipedia）

Syscall 又称为系统调用，它是操作系统内核给用户态程序提供的一组 API，可以用来访问系统资源和内核提供的服务。比如用户态程序申请内存、读写文件等都需要通过 Syscall 完成。

通过 Linux 源码里可以看到(include/linux/syscalls.h)，大约有 400 多个 Syscall。其中一部分是兼容 POSIX 标准，另一些是 Linux 特有的。

二、如何调用 Syscall ?

应用程序想要调用 Syscall 有两种方式，分别是直接调用和使用 C 标准库。

直接调用

下面我们通过一段汇编代码来看看如何直接调用 Syscall。

1. .data
   
2. 
   
3. msg:
   
4.     .ascii "Hello, world!\n"
   
5. 
   
6. .text
   
7.     .global _start
   
8. 
   
9. _start:
   
10.     li a7, 64    # linux write syscall
    
11.     li a0, 1     # stdout
    
12.     la a1, msg   # address of string
    
13.     li a2, 14    # length of string
    
14.     ecall        # call linux syscall
    
15. 
    
16.     li a7, 93    # linux exit syscall
    
17.     li a0, 0     # return value
    
18.     ecall        # call linux syscall

复制代码

上面的代码的功能是通过系统调用往标准输出上打印一串字符。

1. $ cat test.S
   
2. .data
   
3. 
   
4. msg:
   
5.     .ascii "Hello, world!\n"
   
6. 
   
7. .text
   
8.     .global _start
   
9. 
   
10. _start:
    
11.     li a7, 64
    
12.     li a0, 1
    
13.     la a1, msg
    
14.     li a2, 14
    
15.     ecall
    
16. 
    
17.     li a7, 93
    
18.     li a0, 0
    
19.     ecall
    
20. $ riscv64-linux-gnu-gcc -c test.S
    
21. $ riscv64-linux-gnu-ld -o test test.o
    
22. $ qemu-riscv64 test
    
23. Hello, world!

复制代码

RISC-V 中通过 ecall 指令进行 Syscall 的调用。ecall 指令会将 CPU 从用户态转换到内核态，并跳转到 Syscall 的入口处。通过 a7 寄存器来标识是哪个 Syscall。至于调用 Syscall 要传递的参数则可以依次使用 a0-a5 这 6 个寄存器来存储。

ecall 指令之前叫 scall，包括现在 Linux 源码里都用的是 scall，后来改为了 ecall。原因是该指令不仅可以用来进行系统调用，还可以提供更通用化的功能。

write 的系统调用号为 64，所以上述代码里将 64 存储到 a7 中。write 系统调用的参数有 3 个，第一个是文件描述符，第二个是要打印的字符串地址，第三个是字符串的长度，上述代码中将这三个参数分别存入到 a0、a1、a2 这三个寄存器中。

系统调用号列表可以在 Linux 源码中进行查看：include/uapi/asm-generic/unistd.h。

1. #define __NR_write 64
   
2.   
   
3. #define __NR_exit 93

复制代码

系统调用函数声明源码位置：include/linux/syscalls.h

1. asmlinkage long sys_write(unsigned int fd, const char __user *buf, size_t count);
   
2. 
   
3. asmlinkage long sys_exit(int error_code);

复制代码

C 标准库

直接使用汇编调用 Syscall 比较繁琐也不安全，C 标准库提供了对 Syscall 的封装。

（图片源自 wikipedia）

下面用一段 C 代码例子看看如何使用 Syscall ，这种方式大家都比较熟悉。

1. #include <unistd.h>
   
2. 
   
3. int main() {
   
4.   write(1, "Hello, world!\n", 14);
   
5.   return 0;
   
6. }

复制代码

使用下面的命令进行测试即可输出结果。

1. $ cat testc.c
   
2. #include <unistd.h>
   
3. 
   
4. int main() {
   
5. 
   
6.   write(1, "Hello, world!\n", 14);
   
7.   return 0;
   
8. }
   
9. $ riscv64-linux-gnu-gcc -static testc.c -o testc
   
10. $ qemu-riscv64 testc
    
11. Hello, world!

复制代码

三、总结

本篇文章主要从 Syscall 使用者的角度，阐述了什么是 Syscall。然后以实际代码为例，展示了在 RISC-V 架构下应用程序如何使用汇编代码和 C 标准库两种方式调用 Syscall 。

系列文章预告：RISC-V Syscall 系列2：Syscall 过程分析

参考资料
System call
syscall(2) — Linux manual page
Linux kernel interfaces
RISC-V Assembly Programmer's Manual
RISC-V架构下利用QEMU进行GDB调试
Risc-V Assembly Language Hello World
System Interface & Headers Reference
Misunderstanding RISC-V ecalls and syscalls

完