Linux カーネル デバイス ドライバー システム コールに関する注意事項

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 * システムコール********************************/

（１）システムコールとは何か？

システム コールは、カーネルとアプリケーション間のインターフェイスです。アプリケーションがハードウェア デバイスやその他のオペレーティング システム リソースにアクセスする場合は、システム コールを介してアクセスする必要があります。

Linux では、システム コールはユーザー空間がカーネルにアクセスするための唯一の手段です。例外と割り込みを除き、システム コールはカーネルへの唯一の正当なエントリ ポイントです。システムコールの数は少なく、i386 では約 300 個のみです。

（２）Cライブラリとシステムコールの関係

アプリケーション プログラマーは、システム コールを直接使用するのではなく、C ライブラリのアプリケーション プログラミング インターフェイス (API) を介してプログラミングを行います。 C ライブラリ内の関数は、システム コールを呼び出さないか、システム コールを単にカプセル化するか、複数のシステム コールを呼び出すことによって関数を実装する場合があります。

アプリケーション --> C ライブラリ --> カーネル システム コール

プログラマーの観点から見ると、システム コールは無関係であり、API のみを処理すればよいのです。

カーネルの観点から見ると、カーネルはシステム コールのみを処理します。ライブラリ関数とアプリケーションがシステム コールをどのように使用するかはカーネルの関心事ではありません。

Unix システム コールは、特定の目的を達成するために使用される関数を抽象化します。これらの関数をどのように使用するかはユーザーの責任であり、カーネルは気にしません。

（３）カーネルに実装されたシステムコール機能

ユーザー空間でのシステムコールの使用例

#include <unistd.h>
pid を取得します。

glibc ライブラリによってカプセル化された後、最終的にはカーネル内の kernel/timer.c の sys_getpid 関数が呼び出されます。この機能を参照してください。カーネル内のすべてのシステム コール関数は sys_ で始まります。

• asmlinkageは、ローカルスタックを使用してパラメータを渡すようにコンパイラに指示します。
• FASTCALL マクロは、レジスタを使用してパラメータを渡すようにコンパイラに指示します。

（４）システムコール番号

システム コールはユーザー空間からカーネル空間に入る必要があるため、単純な関数呼び出しでは完了できず、プロセッサによってサポートされているいくつかの特別なメカニズム (いわゆるソフト割り込み) を経由する必要があります。

x86 では、この特別なメカニズムはアセンブリ命令 int $0x80 であり、arm ではアセンブリ命令 SWI です。

この命令は、C ライブラリの関数にカプセル化されています。プログラムがこの命令を実行すると、CPU は特別な例外モード (またはソフト割り込みモード) に入り、プログラム ポインターを特定の位置 (ARM の割り込みベクター テーブルの 0x8 など) にジャンプします。

カーネルには多くのシステム コールが実装されています。これらのシステム コールのアドレスは、システム コール テーブルに順番に配置されます。このテーブルは sys_call_table と呼ばれる配列で、合計 NR_syscalls 個のエントリがあります。このテーブルを通じて、カーネルで定義されたすべてのsys_関数を呼び出すことができます。

アセンブリ命令 int $0x80 または SWI を呼び出すときは、同時にシステム コール番号を渡す必要があります。このシステム コール番号は、sys_call_table から対応するシステム コールを選択するためのインデックスとして使用されます。

int80 はシステムコール番号を eax レジスタに保存しますが、SWI はそれを命令に直接統合します (SWI 0x124 など)。

（５）システムコール実装機構

カーネル内のシステム コールを処理する関数は、arch/i386/kernel/entry.s の system_call で定義されていますが、arm システムは、arch/arm/kernel/entry-common.s の vector_swi で定義されています。 x86 システムのシステム コール テーブルは arch/i386/kernel/syscall_table.s (または直接 entry.s) で定義されていますが、arm システム コール テーブルは arch/arm/kernel/calls.s で定義されています。システム コール番号は include/asm/unistd.h で定義されています。

（６）システムコールを実装する際に注意すべき点

Linux にシステム コールを追加することは難しくありませんが、システム コールをどのように設計して実装するかが難しい点です。 Linux では、多目的システム コール (異なるパラメーターに基づいて異なる機能を提供する) の使用は推奨されていません。

システム コールは、受信パラメータ、特にユーザー指定のポインタの有効性を慎重にチェックし、次の点を確認する必要があります。

• *ポインタが指すメモリ領域はユーザー空間に属しており、プロセスはカーネルを騙してカーネル空間のデータを読み込ませることはできない。
• *ポインタが指すメモリ領域はプロセスのアドレス空間に属し、カーネルを騙して他のプロセスからデータを読み取らせることはできません。
• *プロセスはメモリアクセス権限をバイパスできません。

システム コールを実行する場合、カーネルはプロセス コンテキストにあり、スリープ状態になったり、プリエンプトされたりする可能性があるため、システム コールは再入可能でなければなりません。

（７）システムコールの例（カーネルの変更とユーザー空間プログラムの実装を含む）

システムコールsys_fooを実装する

a. システムコール番号を追加する

include/asm/unistd.hを変更し、 #define __NR_foo 289を追加し、 #define NR_syscalls 290を変更します。

b. システムコールテーブルに追加

arch/i386/kernel/entry.s または syscall_table.s を変更し、以下を追加します。

.long sys_foo

c. システム コールは、コア カーネル イメージにコンパイルする必要があります。システム コールの定義は、kernel/sys.c など、その機能に最も関連のあるコードに配置し、次のコードを追加できます。

#include <asm/thread_info.h>
/* 
 * カーネルスタックのサイズを返す
 */
asmlinkage long sys_foo(void)
{
 THREAD_SIZE を返します。
}

d. ユーザー空間での呼び出し

通常、システムコールは C ライブラリによってサポートされており、glibc は独自のシステムコールをサポートできません。現時点では、システムコールに直接アクセスするには、Linux 自体が提供するマクロのセットを使用する必要があります。

man 2 syscall

要約する

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