Nachos之系统调用

今天仔细研究了Nachos的系统调用(主要阅读Nachos Study Book.pdf),基本上理解了Nachos系统调用的过程.

首先来明确一下系统调用的概念,系统调用是指用户程序调用系统提供的程序接口,而使系统进入内核态执行对应功能代码的过程。Nachos模拟了这一机制.那么Nachos是如何模拟的呢？

当用户程序调用系统调用接口时,Nachos会执行与此系统调用相对应的Stub.系统调用的Stub定义在start.s文件中.Stub主要完成三件事情.

将系统调用号写入2号寄存器
执行syscall指令
返回到31号寄存器存放的地址处，该地址为用户程序返回地址.

这里说的系统调用号，是Nachos为系统调用接口指定的一个整形编号,该编号定义在syscall.h文件中,syscall.h文件中还定义了系统调用接口.syscall.h的部分文件内容如下：

#define SC_Halt        0
#define SC_Exit     1
#define SC_Exec     2
#define SC_Join     3
#define SC_Create   4
#define SC_Open     5
#define SC_Read     6
#define SC_Write    7
#define SC_Close    8
#define SC_Fork     9
#define SC_Yield    10void Halt();      void Exit(int status);  SpaceId Exec(char *name);int Join(SpaceId id);

默认情况下，Nachos定义了11个系统调用号,每个号对应一个系统调用.比如SC_Halt为0，对应着系统调用Halt.

syscall指令又是做什么的呢？当系统执行syscall指令时,在MIPS R2/3000处理器的模拟器中会捕获该指令,对应的代码在mipssim.cc的OneInstruction()方法中：代码如下：

      case OP_SYSCALL:RaiseException(SyscallException, 0);return;

处理器当发现执行该指令时，会调用RaiseException(SyscallException,0)方法来抛出一个SyscallException异常,那么RaiseException方法(定义在machine.cc中)内到底做了什么呢？见代码：

void Machine::RaiseException(ExceptionType which, int badVAddr)
{DEBUG('m', "Exception: %s\n", exceptionNames[which]);//  ASSERT(interrupt->getStatus() == UserMode);registers[BadVAddrReg] = badVAddr;DelayedLoad(0, 0);         // finish anything in progressinterrupt->setStatus(SystemMode);ExceptionHandler(which);      // interrupts are enabled at this pointinterrupt->setStatus(UserMode);
}

从interrupt->setStatus(SystemMode)你可以看出，此时系统进入核心态，接着执行ExceptionHandler(witch)，ExceptionHandler方法在exception内进行实现，那么该方法到底做什么了呢？见代码：

void ExceptionHandler(ExceptionType which)
{int type = machine->ReadRegister(2);if ((which == SyscallException) && (type == SC_Halt)) {DEBUG('a', "Shutdown, initiated by user program.\n");interrupt->Halt();} else {printf("Unexpected user mode exception %d %d\n", which, type);ASSERT(FALSE);}
}

从这段代码中可以看出，首先从2号寄存处中取出系统调用号，然后判断发生的异常是不是SyscallException和系统调用好是不是SC_Halt如果是，则调用interrupt->Halt()执行Halt()方法的具体代码.注意这儿有两个条件判断，一是判断不是系统调用异常，而是根据系统调用号执行系统调用的具体代码.此处只对Halt系统调用进行了处理，我们可以在这儿扩展其他系统调用的处理代码。

执行完ExceptionHandler后，会回到machine.cc的RaiseException代码，继续执行interrupt->setStatus(UserModel),重新回到用户态.RaiseException方法执行完后，回到Stub继续执行返回用户程序指令j $31。回到用户程序继续执行。

上述阐述了系统调用的过程，Nachos的系统调用时序图如下所示(以Halt调用为例)：

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