linux操作系统实验四-以time/gettimeofday系统调用为例分析ARM64 Linux 5.4.34

一、搭配环境

（1）安装编译工具

sudo apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu

sudo apt-get install libncurses5-dev  build-essential git bison flex libssl-dev

（2）制作根文件系统

wget  https://busybox.net/downloads/busybox-1.33.1.tar.bz2

tar -xjf busybox-1.33.1.tar.bz2

cd busybox-1.33.1

（3）打开静态库编译选项

make menuconfig

Settings --->

 [*] Build static binary (no shared libs)

（4）指定编译工具

export ARCH=arm64

export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

（5）编译

make

make install

（6）编译内核

make defconfig ARCH=arm64

make menuconfig ARCH=arm64

Kernel hacking  --->

    Compile-time checks and compiler options  --->

        [*] Compile the kernel with debug info

        [*]   Provide GDB scripts for kernel debugging

    [*] Kernel debugging

Kernel Features ---->

    [] Randomize the address of the kernel image

 执行编译

export ARCH=arm64

export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

make Image -j$(nproc)

（6）下载并配置qemu

apt-get install build-essential zlib1g-dev pkg-config libglib2.0-dev binutils-dev libboost-all-dev autoconf libtool libssl-dev libpixman-1-dev libpython-dev python-pip python-capstone virtualenv

wget https://download.qemu.org/qemu-4.2.1.tar.xz

tar xvJf qemu-4.2.1.tar.xz

cd qemu-4.2.1

./configure --target-list=x86_64-softmmu,x86_64-linux-user,arm-softmmu,arm-linux-user,aarch64-softmmu,aarch64-linux-user --enable-kvm

make

sudo make install

（7）启动qumu

qemu-system-aarch64 -m 128M -smp 1 -cpu cortex-a57 -machine virt -kernel linux-5.4.34/arch/arm64/boot/Image -initrd rootfs.cpio.gz -append "rdinit=/init console=ttyAMA0 loglevel=8" -nographic -s

二、调试分析系统调用

（1）触发 time/gettimeofday 系统调用：在程序中使用内嵌汇编

#include <stdio.h>

#include <time.h>

#include <sys/time.h>

int main()

{

      time_t tt;

      struct timeval tv;

      struct tm *t;

#if 0

      gettimeofday(&tv,NULL); // 使用库函数的方式触发系统调用

#else

      asm volatile( // 使用内嵌汇编的方式触发系统调用

          "add   x0, x29, 16\n\t"  //X0寄存器用于传递参数&tv

          "mov   x1, #0x0\n\t"     //X1寄存器用于传递参数NULL

          "mov   x8, #0xa9\n\t"   //使用X8传递系统调用号169

          "svc   #0x0\n\t"            //触发系统调用

      );

#endif

      tt = tv.tv_sec;                    //tv是保存获取时间结果的结构体

      t = localtime(&tt);                //将世纪秒转换成对应的年月日时分秒

      printf("time: %d/%d/%d %d:%d:%d\n",

             t->tm_year + 1900,

             t->tm_mon,

             t->tm_mday,

             t->tm_hour,

             t->tm_min,

             t->tm_sec);

      return 0;

}

编译

aarch64-linux-gnu-gcc -o test test.c -static

（2）进行调试

1. 配置vscode文件的launch.json和tasks.json文件，与实验三中配置类似

Launch.json

Tasks.json

2. 添加断点

3. 运行调试，可以看到在断点处停了下来

4. 分析系统调用的执行

此处系统调用由svc 指令触发，用户态程序触发系统调用时：先把系统调用的参数依次放入 X0-X5 寄存器，然后把系统调用号放在 X8 寄存器里，最后执行 svc 指令，CPU 即进入内核态

el0_sync 处的内核汇编代码首先做的就是保存程序的执行现场，然后根据异常发生的原因跳转到 el0_svc，el0_svc将 X8 寄存器中存放的系统调用号传递给 invoke_syscall 函数。

接着执行 invoke_syscall 函数，将通用寄存器中的内容传入 syscall_fn()，引出系统调用内核处理函数 __arm64_sys_gettimeofday。

系统调用内核处理函数执行完成后，会将系统调用的返回值存放在 X0 寄存器中。

系统调用返回前，需要恢复异常发生时程序的执行现场，最后内核调用异常返回指令 eret，返回用户态继续执行用户态程序。