システムコールを呼べる様にするまで

この記事は、自作OS Advent calendar 23 日目です。

今回はsystem callについて書きました。sysenter/sysexitではなくintによる割込みゲートを使った実装です。

自分の自作OSは、IA-32,pentium 4とそれ以降のアーキテクチャ *1を想定しています。
なので今回もこれを前提に書きます。 idtについての簡単な知識があることを前提に書きますが、自分が理解していないところがあるかもしれせん。

記事の内容に関して、不明な点や間違いがあれば指摘してもらえればと思います。

自分のコードは、３０日自作OS入門に影響をいろいろと受けていて、idtのエントリの登録もこの本に従っていました。しかし、xv6やminixの割り込みの設定を見ると、idtに直接handlerを登録しておらず、この理由として、ハードウェア依存を減らす為だと思っています。*2

基本的にxv6の実装を参考にしているので、その部分の説明をしたいと思います。 xv6の実装は、 vectors.plで生成されるvectors.Sに登録するhandlerがひたすらあって、これらが、idtに登録されています。
vectors.Sの一部

.globl alltraps
.globl vector0
vector0:
    pushl $0
    pushl $0
    jmp alltraps

.globl vector1
vector1:
    pushl $0
    pushl $1
    jmp alltraps
       .
       .
       .
.globl vector255
vector255:
    pushl $0
    pushl $255
    jmp alltraps

# vector table
.data
.globl vectors
vectors:
    .long vector0
    .long vector1
      .
      .
      .
    .long vector255

そのhandlerで何をしているかというと、
はじめの２個のpushで、trapframeの一部をstackを使って作っているのですが、
このtrapframeとはx86.hの中にある

struct trapframe {

    struct trapframe {
  // registers as pushed by pusha
  uint edi;
  uint esi;
  uint ebp;
  uint oesp;      // useless & ignored
  uint ebx;
  uint edx;
  uint ecx;
  uint eax;

  // rest of trap frame
  ushort gs;
  ushort padding1;
  ushort fs;
  ushort padding2;
  ushort es;
  ushort padding3;
  ushort ds;
  ushort padding4;
  uint trapno;

  // below here defined by x86 hardware
  uint err;
  uint eip;
  ushort cs;
  ushort padding5;
  uint eflags;

  // below here only when crossing rings, such as from user to kernel
  uint esp;
  ushort ss;
  ushort padding6;
};

で、vectorの一つ目のpushは
uint err; の部分で、エラーコードがある例外の割り込みの際にはpushしていません。例として14番のpage faultの例外はエラーコードが積まれるので

vector14:
    pushl $14
    jmp alltraps

となっています。 uint err;
より下に定義してある、ものはCPUによって自動でスタックに積まれるので*3
ここでは特に触らない。

そして,alltrapsの実装はtrapasm.Sにあり

#include "mmu.h"

  # vectors.S sends all traps here.
.globl alltraps
alltraps:
  # Build trap frame.
  pushl %ds
  pushl %es
  pushl %fs
  pushl %gs
  pushal
  
  # Set up data and per-cpu segments.
  movw $(SEG_KDATA<<3), %ax
  movw %ax, %ds
  movw %ax, %es
  movw $(SEG_KCPU<<3), %ax
  movw %ax, %fs
  movw %ax, %gs

  # Call trap(tf), where tf=%esp
  pushl %esp
  call trap
  addl $4, %esp

  # Return falls through to trapret...
.globl trapret
trapret:
  popal
  popl %gs
  popl %fs
  popl %es
  popl %ds
  addl $0x8, %esp  # trapno and errcode
  iret

trapframeの続きをスタックに積んでいき、 call trap の前にespをスタックにPushすることで、今まで積んだものをtrapframeとして
trapの引数として渡しています。

そして、実際の割り込みの動作をしているtrap関数です。

void
trap(struct trapframe *tf)
{
  if(tf->trapno == T_SYSCALL){
    if(proc->killed)
      exit();
    proc->tf = tf;
    syscall();
    if(proc->killed)
      exit();
    return;
  }

  switch(tf->trapno){
  case T_IRQ0 + IRQ_TIMER:
    if(cpu->id == 0){
      acquire(&tickslock);
      ticks++;
      wakeup(&ticks);
      release(&tickslock);
    }
    lapiceoi();
    break;
  case T_IRQ0 + IRQ_IDE:
    ideintr();
    lapiceoi();
    break;
  case T_IRQ0 + IRQ_IDE+1:
    // Bochs generates spurious IDE1 interrupts.
    break;
  case T_IRQ0 + IRQ_KBD:
    kbdintr();
    lapiceoi();
    break;
  case T_IRQ0 + IRQ_COM1:
    uartintr();
    lapiceoi();
    break;
  case T_IRQ0 + 7:
  case T_IRQ0 + IRQ_SPURIOUS:
    cprintf("cpu%d: spurious interrupt at %x:%x\n",
            cpu->id, tf->cs, tf->eip);
    lapiceoi();
    break;


  //PAGEBREAK: 13
  default:
    if(proc == 0 || (tf->cs&3) == 0){
      // In kernel, it must be our mistake.
      cprintf("unexpected trap %d from cpu %d eip %x (cr2=0x%x)\n",
          >    tf->trapno, cpu->id, tf->eip, rcr2());
      panic("trap");
    }
    // In user space, assume process misbehaved.
    cprintf("pid %d %s: trap %d err %d on cpu %d "
            "eip 0x%x addr 0x%x--kill proc\n",
            proc->pid, proc->name, tf->trapno, tf->err, cpu->id, tf->eip, 
            rcr2());
    proc->killed = 1;
  }

  // Force process exit if it has been killed and is in user space.
  // (If it is still executing in the kernel, let it keep running 
  // until it gets to the regular system call return.)
  if(proc && proc->killed && (tf->cs&3) == DPL_USER)
    exit();

  // Force process to give up CPU on clock tick.
  // If interrupts were on while locks held, would need to check nlock.
  if(proc && proc->state == RUNNING && tf->trapno == T_IRQ0+IRQ_TIMER)
    yield();

  // Check if the process has been killed since we yielded
  if(proc && proc->killed && (tf->cs&3) == DPL_USER)
    exit();
}

あとは、引数でもらったtrapframeのtrapnoを使ってそれぞれの処理に振り分けてます。
system_call()では中でeaxを使ってどのシステムコールなのかを特定していました。

自分の割込みの基本的な実装は同じなのですが、userとkernelのどちらからの割込みでも同じstackframeを
使っていることが気に入らなかったので、minixを参考に以下の様にしました。

#define IS_INT_IN_KERNEL(displ, label) \
    cmpl $2, displ(%esp) ;\
    je label

このマクロを使って

.globl system_call
system_call:
    IS_INT_IN_KERNEL(12, system_call_by_kernel)

system_call_by_user:
    #割込みの際に特権が変わった場合の処理（esp, ssが余分にstackに積まれる）
system_call_by_kernel:
    push %eax
    call system_call_handler
    iret

今のところこのようにsystem callを実装しました。
実は、現状ユーザープロセスを動かせていないので、特権が変わるような割込みのテストができてないので
問題を抱えているかもしれません。

当初はsysenterだけ実装しようと思っていたのですが、intによるソフトウェア割込みと話が違いすぎたので
別の記事としていつか上げたられたらいいなと思います。

余談
qemuのi386-systemってCR4のpage-size extensionが使えることに驚きました。

参考

IA-32 インテル® アーキテクチャー・ソフトウェア・デベロッパーズ・マニュアル、下巻: システム・プログラミング・ガイド http://www.intel.co.jp/content/dam/www/public/ijkk/jp/ja/documents/developer/IA32_Arh_Dev_Man_Vol3_i.pdf　

xv6

minix3

Operating Systems Design and Implementation

*1:page size extensionを使っているため。

*2:違ったり他の原因があれば教えてください。

*3:特権が変わらなかった時は、下の３つはstackに乗らないが、stackframeとして引数に渡しているのは問題になると思ったが、参照しない限り問題はないということなのだろうか？

ひまわり

はやく人間になりたい

システムコールを呼べる様にするまで

参考