实验内容

此次实验的基本内容是：在 Linux 0.11 上添加两个系统调用，并编写两个简单的应用程序测试它们。
(1) iam()
第一个系统调用是 iam()，其原型为：

int iam(const char * name);

完成的功能是将字符串参数 name 的内容拷贝到内核中保存下来。要求 name 的长度不能超过 23 个字符。返回值是拷贝的字符数。如果 name 的字符个数超过了 23，则返回 “-1”，并置 errno 为 EINVAL。

在 kernal/who.c 中实现此系统调用。

(2) whoami()
第二个系统调用是 whoami()，其原型为：

int whoami(char* name, unsigned int size);

它将内核中由 iam() 保存的名字拷贝到 name 指向的用户地址空间中，同时确保不会对 name 越界访存（name 的大小由 size 说明）。返回值是拷贝的字符数。如果 size 小于需要的空间，则返回“-1”，并置 errno 为 EINVAL。

也是在 kernal/who.c 中实现。

(3) 测试程序
运行添加过新系统调用的 Linux 0.11，在其环境下编写两个测试程序 iam.c 和 whoami.c。最终的运行结果是：

$ ./iam lizhijun

$ ./whoami

lizhijun

相关知识

1. 为什么要有内核态和用户态两种状态？
   因为有些操作很危险，比如清空内存，I/O等，不能随便一个程序就能进行这样的操作。所以区分出内核态与用户态，用户态可以执行一些不危险的操作，当需要执行危险操作时，需要通过系统调用等方法进入内核态执行。
2. 实现系统调用的基本过程
   • 应用程序调用库函数（API）；
   • API 将系统调用号存入 EAX，然后通过中断调用使系统进入内核态；
   • 内核中的中断处理函数根据系统调用号，调用对应的内核函数（系统调用）；
   • 系统调用完成相应功能，将返回值存入 EAX，返回到中断处理函数；
   • 中断处理函数返回到 API 中；
   • API 将 EAX 返回给应用程序。

实验步骤

1. 修改linux-0.11/include/linux/sys.h
   需要把 iam() 与 whoami() 两个函数声明为全局变量，并添加到中断函数表中，当中断被调用的时候，先查找中断向量表，找到相应的函数名，调用其函数。

extern int sys_setup();
extern int sys_exit();
extern int sys_fork();
extern int sys_read();
extern int sys_write();
extern int sys_open();
extern int sys_close();
extern int sys_waitpid();
extern int sys_creat();
extern int sys_link();
extern int sys_unlink();
extern int sys_execve();
extern int sys_chdir();
extern int sys_time();
extern int sys_mknod();
extern int sys_chmod();
extern int sys_chown();
extern int sys_break();
extern int sys_stat();
extern int sys_lseek();
extern int sys_getpid();
extern int sys_mount();
extern int sys_umount();
extern int sys_setuid();
extern int sys_getuid();
extern int sys_stime();
extern int sys_ptrace();
extern int sys_alarm();
extern int sys_fstat();
extern int sys_pause();
extern int sys_utime();
extern int sys_stty();
extern int sys_gtty();
extern int sys_access();
extern int sys_nice();
extern int sys_ftime();
extern int sys_sync();
extern int sys_kill();
extern int sys_rename();
extern int sys_mkdir();
extern int sys_rmdir();
extern int sys_dup();
extern int sys_pipe();
extern int sys_times();
extern int sys_prof();
extern int sys_brk();
extern int sys_setgid();
extern int sys_getgid();
extern int sys_signal();
extern int sys_geteuid();
extern int sys_getegid();
extern int sys_acct();
extern int sys_phys();
extern int sys_lock();
extern int sys_ioctl();
extern int sys_fcntl();
extern int sys_mpx();
extern int sys_setpgid();
extern int sys_ulimit();
extern int sys_uname();
extern int sys_umask();
extern int sys_chroot();
extern int sys_ustat();
extern int sys_dup2();
extern int sys_getppid();
extern int sys_getpgrp();
extern int sys_setsid();
extern int sys_sigaction();
extern int sys_sgetmask();
extern int sys_ssetmask();
extern int sys_setreuid();
extern int sys_setregid();

extern int sys_iam();//需要新增的地方
extern int sys_whoami();

fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,
sys_write, sys_open, sys_close, sys_waitpid, sys_creat, sys_link,
sys_unlink, sys_execve, sys_chdir, sys_time, sys_mknod, sys_chmod,
sys_chown, sys_break, sys_stat, sys_lseek, sys_getpid, sys_mount,
sys_umount, sys_setuid, sys_getuid, sys_stime, sys_ptrace, sys_alarm,
sys_fstat, sys_pause, sys_utime, sys_stty, sys_gtty, sys_access,
sys_nice, sys_ftime, sys_sync, sys_kill, sys_rename, sys_mkdir,
sys_rmdir, sys_dup, sys_pipe, sys_times, sys_prof, sys_brk, sys_setgid,
sys_getgid, sys_signal, sys_geteuid, sys_getegid, sys_acct, sys_phys,
sys_lock, sys_ioctl, sys_fcntl, sys_mpx, sys_setpgid, sys_ulimit,
sys_uname, sys_umask, sys_chroot, sys_ustat, sys_dup2, sys_getppid,
sys_getpgrp, sys_setsid, sys_sigaction, sys_sgetmask, sys_ssetmask,
sys_setreuid,sys_setregid, sys_iam, sys_whoami };//在中断向量表的最后填上系统调用

2. 修改系统调用数
   system_call.s 在 linux-0.11/kernel 中
   需要把nr_system_calls 由72改为 74 表示了中断函数的个数。

sa_handler = 0
sa_mask = 4
sa_flags = 8
sa_restorer = 12

nr_system_calls = 74

3. 新增系统调用号
   unistd.h 不能直接在 oslab 直接直接修改，
   而需要在虚拟机中修改，
   在 oslab 中有一个 mount-hdc 脚本
   运行 sudo ./mount-hdc 可以把虚拟机硬盘挂载在 oslab/hdc 目录下。
   (这个也可以实现文件共享)
   在 hdc/usr/include 目录下修改 unistd.h

#define __NR_setup    0   /* used only by init, to get system going */
#define __NR_exit    1
#define __NR_fork    2
#define __NR_read    3
#define __NR_write    4
#define __NR_open    5
#define __NR_close    6
#define __NR_waitpid    7
#define __NR_creat    8
#define __NR_link    9
#define __NR_unlink    10
#define __NR_execve    11
#define __NR_chdir    12
#define __NR_time    13
#define __NR_mknod    14
#define __NR_chmod    15
#define __NR_chown    16
#define __NR_break    17
#define __NR_stat    18
#define __NR_lseek    19
#define __NR_getpid    20
#define __NR_mount    21
#define __NR_umount    22
#define __NR_setuid    23
#define __NR_getuid    24
#define __NR_stime    25
#define __NR_ptrace    26
#define __NR_alarm    27
#define __NR_fstat    28
#define __NR_pause    29
#define __NR_utime    30
#define __NR_stty    31
#define __NR_gtty    32
#define __NR_access    33
#define __NR_nice    34
#define __NR_ftime    35
#define __NR_sync    36
#define __NR_kill    37
#define __NR_rename    38
#define __NR_mkdir    39
#define __NR_rmdir    40
#define __NR_dup    41
#define __NR_pipe    42
#define __NR_times    43
#define __NR_prof    44
#define __NR_brk    45
#define __NR_setgid    46
#define __NR_getgid    47
#define __NR_signal    48
#define __NR_geteuid    49
#define __NR_getegid    50
#define __NR_acct    51
#define __NR_phys    52
#define __NR_lock    53
#define __NR_ioctl    54
#define __NR_fcntl    55
#define __NR_mpx    56
#define __NR_setpgid    57
#define __NR_ulimit    58
#define __NR_uname    59
#define __NR_umask    60
#define __NR_chroot    61
#define __NR_ustat    62
#define __NR_dup2    63
#define __NR_getppid    64
#define __NR_getpgrp    65
#define __NR_setsid    66
#define __NR_sigaction    67
#define __NR_sgetmask    68
#define __NR_ssetmask    69
#define __NR_setreuid    70
#define __NR_setregid    71   /*Linux system_call total 72*/
#define __NR_iam    72     /*new system_call 72 and 73*/
#define __NR_whoami    73

4. 新增 who.c 文件，实现系统调用的函数
   将完成的who.c文件放入linux-0.01/kernel 目录下

#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <asm/segment.h>

char msg[24];

int sys_iam(const char * name)
{
    char temp[26];
    int i = 0;
    for(; i < 26; i++)
    {
        temp[i] = get_fs_byte(name+i);
        if(temp[i] == '\0')  break;
    }

    if (i > 23) return -(EINVAL);

    strcpy(msg, temp);
    return i;
}

int sys_whoami(char * name, unsigned int size)
{
    int len = 0;
    for (;msg[len] != '\0'; len++);
    
    if (len > size) 
    {
        return -(EINVAL);
    }
    
    int i = 0;
    for(i = 0; i < size; i++)
    {
        put_fs_byte(msg[i], name+i);
        if(msg[i] == '\0') break;
    }
    return i;
}

5. 修改Makefile文件
   让我们添加的kernel/who.c可以和其它Linux代码编译链接到一起，必须要修改Makefile文件
   Makefile在代码树中有很多，分别负责不同模块的编译工作。我们要修改的是kernel/Makefile。

OBJS  = sched.o system_call.o traps.o asm.o fork.o \
        panic.o printk.o vsprintf.o sys.o exit.o \
        signal.o mktime.o
改为：
OBJS  = sched.o system_call.o traps.o asm.o fork.o \
        panic.o printk.o vsprintf.o sys.o exit.o \
        signal.o mktime.o who.o
另一处：
### Dependencies:
exit.s exit.o: exit.c ../include/errno.h ../include/signal.h \
  ../include/sys/types.h ../include/sys/wait.h ../include/linux/sched.h \
  ../include/linux/head.h ../include/linux/fs.h ../include/linux/mm.h \
  ../include/linux/kernel.h ../include/linux/tty.h ../include/termios.h \
  ../include/asm/segment.h
改为：
### Dependencies:
who.s who.o: who.c ../include/linux/kernel.h ../include/unistd.h
exit.s exit.o: exit.c ../include/errno.h ../include/signal.h \
  ../include/sys/types.h ../include/sys/wait.h ../include/linux/sched.h \
  ../include/linux/head.h ../include/linux/fs.h ../include/linux/mm.h \
  ../include/linux/kernel.h ../include/linux/tty.h ../include/termios.h \
  ../include/asm/segment.h

Makefile修改后，和往常一样“make all”就能自动把who.c加入到内核中了

cd ~/oslab/linux-0.11
make all 

6. 新增 iam.c 和 whoami.c 文件以测试系统调用是否添加成功
   iam.c

#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
_syscall1(int,iam,const char*,name)

int main(int argc,char* argv[])
{
    iam(argv[1]);
    return 0;
}

whoami.c

#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>

_syscall2(int, whoami, char*, name, unsigned int, size);

int main(int argc, char ** argv)
{
    char t[30];
    whoami(t, 30);
    printf("%s\n", t);
    return 0;
}

注:这两个C文件是需要在 你修改过的linux 0.11版本上编译的,如果嫌在 0.11 里面用vi 写代码太烦,可以在虚拟机中写好, 在oslab中运行

sudo ./mount-hdc 
cp ./iam.c hdc/usr/root
cp ./whoami.c hdc/usr/root

可以把虚拟机硬盘挂载在oslab/hdc 目录下。
然后再将文件复制到 oslab/hdc/user/root/下
/user/root/ 就是你的linux 0.11 开机后所在目录
运行 run

cd ~/oslab
./run

7. 编译 iam.c 跟 whoami.c

gcc -o iam iam.c 
gcc -o whoami whoami.c 

运行