系统调用简介

系统调用，是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能
这是特殊的过程调用，由特殊的机器指令实现
这个指令还将系统转入管态
系统调用程序是一个低级过程，只能由汇编语言直接访问
系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口
利用系统调用，动态请求和释放系统资源
完成与硬件相关的工作以及控制程序的执行等
每个操作系统都提供几百种系统调用，包括：外存文件与目录的读写，各种I/O设备的使用，在程序中启动另一个程序，查询和统计系统资源使用情况等等
实际上系统调用语句本身是硬件提供的（机器指令），但其所调用的功能是操作系统提供的
每种机器的机器指令集中都有一条系统调用指令（访管指令）

系统调用的例子-1

汇编程序例子：打印5个字符
方法1：调用DOS功能
MOVE A, PARA1
MOVE B, PARA2
INT 21H

系统调用的例子-2

方法2：用OUT语句直接打印
L1：MOVE A，I
IN ADDR1，B
OR B，BS
JNC L1
OUT ADDR2，A
RET
I/O设备的硬件接口，一般由四种寄存器（地址，数据，状态，控制）或其子集组成，任一程序中若要使用I/O设备来输出数据或接受输入，必须通过对这四种寄存器读写的I/O机器指令进行

系统调用的例子-3

汇编程序例子2：读写硬盘文件内容
MOVE DX，OFFSETBUFF
MOVE CX，BYTE
MOVE BX，HANDLE
MOVE AH，3FH
INT 21H

系统调用的例子-4

磁盘读写的例子：更复杂
原因:
A、磁盘的控制和状态接口寄存器比打印机的复杂的多，而且还有地址接口寄存器
B、通常一个外存存储介质上可以存放多个文件，随着文件的建立、删除和拷贝在不停地变化，每个文件的长度随着其内容的变化而不停地变化

系统调用的例子-5

高级语言例子：打印5个字符
char buff[4]=“abcde”;
for(i=4;i>=0;i–)
print(buff[i]);
高级语言例子：
读硬盘文件f1的第10到20个字节
seek(fd,10,0);
read(fd,buff,11);

凡是与硬件相关、与应用无关的工作，都通过操作系统程序来完成

系统调用与一般过程调用的区别

系统调用方式（INT）与程序中一般的调用方式的相同点：

运行在不同的系统状态
一般过程调用，其调用程序和被调用程序都运行在相同状态：核心态或用户态
系统调用：调用程序在用户态，被调用程序在系统态
状态的转换
一般的过程调用不涉及系统状态的转换，可直接由调用过程转向被调用过程
运行系统调用时，调用和被调用过程在不同系统状态，不允许由调用过程直接转向被调用过程
通过软中断机制先由用户态转换为核心态
在OS核心分析后，转向相应的系统调用处理子程序
返回问题
一般过程调用在被调用过程执行完后，回调用过程
抢占式调度的系统中，被调用过程执行完后，系统将对所有要求运行的进程进行优先级分析。如果调用进程仍有最高优先级，则返回到调用进程执行
否则，引起重新调度，让优先级最高的进程优先执行。此时，系统把调用进程放入就绪队列
嵌套调用
系统调用也允许嵌套调用，即在一被调用过程执行期间，可再利用系统调用命令调用另一系统调用
一般每个系统对嵌套调用的深度有限制
同一程序中不包含被调用代码
转向的地址是活的：地址不写在程序中，不同的调用地址不同
返回地址是活的：不同的调用返回的地址不同
是安全接口：可随意进入被调用方
系统调用是动态调用，程序中不包含被调用代码，好处：
（1）用户程序长度缩短
（2）当OS升级时，调用方不必改变
系统调用方式的调用地址和返回地址都是不固定的，系统调用指令中不包含调用地址，只包含功能号，是按功能号（在可执行目标程序中）调用的。在操作系统内部，由系统调用处理程序通过系统调用分支表（OS的一个数据结构）将功能号转换为相应的指令地址

系统调用返回指令中不包括返回地址，通过栈保存和弹出返回地址
系统调用返回地址不固定，因为用户程序在不同的地方调用OS

安全接口

INT指令和IRET指令的执行过程中，要处理程序状态字PSW，INT指令中要保存用户程序的老PSW，并根据中断向量表设置新PSW；IRET指令中要在返回用户程序前恢复用户程序的老PSW
其目的：目态、管态的管理
系统态与用户态的转换，是由系统在INT指令与IRET指令内部自动完成的，而没有用一条单独的专门指令。这样可以有效地防止在系统态下执行用户程序
INT指令的执行过程：
→将PC与PSW入栈→根据该指令的参数将内存中断向量表的相应位置的内容读入执行操作系统内部代码
IRET指令的执行过程：
→以栈顶内容置PSW和PC→
CALL调用方式是静态调用，被调用代码与调用代码在同一程序之内
有两种可能性：
被调用代码是专门为该软件编制，即基于模块划分或仅限于本软件范围内的公用或重复使用（没有问题）
被调用代码来自公用软件（函数库）
CALL调用方式，其调用地址是固定的，包含在调用语句中；返回地址是不固定的，在程序执行过程中通过栈的实现来保存和弹出返回地址
CALL指令的内部实现过程：
→返回地址压栈（即该CALL指令所在的地址） →将该CALL指令中所含的地址（即被调用代码所在地址）送入PC
RET指令的内部实现过程：
→从栈顶弹出返回地址送入程序计数器PC
其它如jump，jnc，LOOP指令也如此
而使用INT的程序段则简单许多。程序员不再需要与接口寄存器打交道，只需一个简单的调用即可

系统调用的分类

将系统的功能分为两部分：
系统自身所需要的
作为服务提供给用户的
OS的系统调用:
进程控制类系统调用
文件操作类系统调用
进程通信类系统调用
设备管理类系统调用
信息维护类系统调用

“广义指令”和“虚处理机”

系统调用命令扩充机器指令，增强系统的功能，方便用户使用, 称为“广义指令”
“广义指令”和机器指令的不同：
机器指令是由硬件线路直接实现的
“广义指令”由OS提供的多个子程序，软件实现的
“虚处理机”：
从用户角度来看，“广义指令”，扩大了机器指令系统，增强了处理机功能
提供了一台功能更强，使用更方便的处理机，实现了处理机性能上的扩充
为了区别于真实的物理处理机，称它为“虚处理机”

系统调用的处理过程

为了保证OS不被用户程序破坏
不允许用户程序访问OS的系统程序和数据
那么，怎样得到系统服务的呢？
需要有一个类似于硬件中断处理的处理机构
当用户使用操作系统调用时，产生一条相应的指令
处理机在执行到该指令时发生相应的中断，并发出有关的信号给该处理机构
该处理机构在收到了处理机发来的信号后，启动相关的处理程序去完成该系统调用所要求的功能
在系统中为控制系统调用服务的机构称为陷入（TRAP）或异常处理机构
相对应，把由于系统调用引起处理机中断的指令称为陷入或异常指令（或称访管指令）
在操作系统中，每个系统调用都对应一个事先给定的功能号，例如0、1、2、3等
在陷入指令中必须包括对应系统调用的功能号
而且，在有些陷入指令中，还带有传给陷入处理机构和内部处理程序的有关参数
必须为实现系统调用功能的子程序编造入口地址表
每个入口地址与相应的系统程序名对应
陷入处理程序把陷入指令包含功能号与入口地址表有关项对应, 系统调用功能号驱动有关子程序执行
在系统调用处理结束之后，用户程序需利用系统调用返回结果继续执行

保护现场：

在进入系统调用处理之前，陷入处理机构还需保存处理机现场
在系统调用处理结束之后，要恢复处理机现场，现场被保护在特定的内存区或寄存器中

参数传递过程问题

怎样实现用户程序和系统程序间的参数传递？
常用的实现方法：
由陷入指令自带参数：陷入指令的长度有限的，且还要携带系统调用功能号，只能自带有限的参数
通过有关通用寄存器来传递参数：这些寄存器应是系统程序和用户程序都能访问，由于寄存器长度较短，从法传递较多的参数
大多在内存中开辟专用堆栈区来传递参数

Win32 应用程序接口

在Windows中，定义了一系列程序(应用程序接口Win32 API) ，提供OS服务
这个接口（部分）支持Win95 以后的Windows版本Win32 API调用的种类非常多，以千计算
在Windows中不可能分辨出哪些是系统调用（被内核执行），哪些是用户空间的库调用
事实上，一个Windows版本中的系统调用也许在另一个Windows版本中会在用户空间执行
由于图形子系统在内核中运行（在某些Windows版本中），它们也是系统调用，否则是库调用
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