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系统调用入口机制：多架构对比理解（以 ARM64 为主）
本篇内容聚焦于系统调用的入口实现机制，重点以 ARM64 架构为例，同时对比 x86 和 RISC-V 架构的实现方式，从多角度帮助构建系统调用的总体认知体系。
一、系统调用的核心概念
- 定义：系统调用是用户态程序请求内核服务的一种受控方式。
- 目的：实现从用户态到内核态的“安全切换”，如文件访问、进程创建、内存管理等。
- 典型例子：
open(),read(),write(),fork()等。
二、系统调用的触发方式对比
| 架构 | 触发指令 | 注释 | 触发入口源文件位置 |
|---|---|---|---|
| ARM64 | svc #0 |
使用 SVC（Supervisor Call）陷入内核 | arch/arm64/kernel/entry.S |
| x86 | int $0x80 / syscall |
前者为老方式，后者为现代 CPU 使用方式 | arch/x86/entry/entry_64.S |
| RISC-V | ecall |
通过环境调用指令陷入内核 | arch/riscv/kernel/entry.S |
三、以 ARM64 为例的系统调用执行流程
🔹 1. 用户态触发
int fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
- glibc 中
open()→syscall(SYS_open, ...) - 执行
svc #0指令，触发异常
🔹 2. 异常向量入口
// arch/arm64/kernel/entry.S
el0_sync:
bl el0_svc
说明：el0_sync 是从 EL0（用户态）同步异常进入 EL1（内核态）的处理入口。
🔹 3. C 语言调用链
el0_sync
└── el0_svc (arch/arm64/kernel/entry-common.c)
└── do_el0_svc() (arch/arm64/kernel/syscall.c)
└── syscall_trace_enter() + invoke_syscall()
invoke_syscall()中执行：- 读取
x8（系统调用号） - 查表：
sys_call_table[x8] - 执行对应系统调用实现函数，如
__arm64_sys_open()
- 读取
四、系统调用参数与返回值对比
| 架构 | 参数传递寄存器 | 系统调用号寄存器 | 返回值寄存器 |
|---|---|---|---|
| ARM64 | x0~x5 |
x8 |
x0 |
| x86 | eax, ebx, ecx… |
eax |
eax |
| RISC-V | a0~a5 |
a7 |
a0 |
五、系统调用表与绑定机制
系统调用表是 syscall number 与实际内核函数之间的映射桥梁，实现“按号调用”的机制。
🔹 syscall 表文件位置
| 架构 | 系统调用表路径 |
|---|---|
| ARM64 | arch/arm64/kernel/syscall_table.S |
| x86 | arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl |
| RISC-V | arch/riscv/kernel/syscall_table.c |
🔹 syscall 映射机制
- 用户态设置 syscall number（如 ARM64 用
x8） - 内核读取 syscall number，从 syscall 表中查找对应函数指针
- 执行绑定的系统调用函数（如
__arm64_sys_open()）
🔸 例子（ARM64 的 syscall_table.S）：
.long __arm64_sys_open // 对应 __NR_open
.long __arm64_sys_read // 对应 __NR_read
🔹 SYSCALL_DEFINE 展开示意
SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *filename, int flags, umode_t mode)
- 宏展开后生成
__arm64_sys_open() - 并作为 syscall 表的一项注册
六、完整调用路径梳理（ARM64）
用户态
↓
svc #0 （用户态发起陷入）
↓
el0_sync (arch/arm64/kernel/entry.S)
↓
el0_svc (arch/arm64/kernel/entry-common.c)
↓
do_el0_svc (arch/arm64/kernel/syscall.c)
↓
syscall_trace_enter → invoke_syscall()
↓
sys_call_table[x8] → __arm64_sys_open()
七、调试与分析工具推荐
| 工具 | 用途 |
|---|---|
strace |
跟踪用户态发起的系统调用 |
ftrace |
跟踪内核态 syscall 调用链 |
gdb |
可调试汇编入口与寄存器设置 |
objdump / readelf |
查看符号表与 ELF 结构 |
八、常见问题总结
| 问题 | 答案 |
|---|---|
| 系统调用是中断吗？ | 是一种同步异常（软中断），可类比中断处理但不同于 IRQ。 |
| 为什么每种架构入口不一样？ | 不同指令集的陷入方式、特权级切换方式、寄存器约定不一样。 |
| 系统调用号在哪设置？ | 通常在用户态库中写入指定寄存器（如 ARM64 的 x8）。 |
| 怎么找到系统调用函数？ | 查 syscall 表，通过 syscall number 定位函数指针。 |
| 参数怎么传？ | 不同架构采用不同寄存器（x0 |
| syscall 表作用是什么？ | 它是内核中系统调用号和函数之间的查找映射表，按号定位函数地址执行。 |
📌 本文重点理解系统调用的“陷入路径”，构建从用户态到内核态的调用跳转逻辑。后续配合“系统调用如何连接内核子系统”篇章，深入剖析 syscall 如何与 VFS、进程管理等模块协作。