以time/gettimeofday系统调用为例分析ARM64 Linux 5.4.34

安装编译工具链

sudo apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu
sudo apt-get install libncurses5-dev build-essential git bison flex libssl-dev

制作根文件系统

 下载busybox并解压

wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.36.0.tar.bz2
tar -jxvf busybox-1.36.0.tar.bz2
cd busybox-1.36.0

编译配置

export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-


make menuconfig
　　Settings --->
　　　　[*] Build static binary (no shared libs)

cd etc
touch profile inittab fstab
mkdir init.d
touch init.d/rcS

 

vim profile

#!/bin/sh
export HOSTNAME=imingz
export USER=root
export HOME=/home
export PS1="[$USER@$HOSTNAME \W]\# "
PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib:$LD_LIBRARY_PATH
export PATH LD_LIBRARY_PATH

 

vim inittab

::sysinit:/etc/init.d/rcS
::respawn:-/bin/sh
::askfirst:-/bin/sh
::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r

 

vim fstab

#device mount-point type options dump fsck order
proc /proc proc defaults 0 0
tmpfs /tmp tmpfs defaults 0 0
sysfs /sys sysfs defaults 0 0
tmpfs /dev tmpfs defaults 0 0
debugfs /sys/kernel/debug debugfs defaults 0 0
kmod_mount /mnt 9p trans=virtio 0 0

 

vim init.d/rcS

mkdir -p /sys
mkdir -p /tmp
mkdir -p /proc
mkdir -p /mnt
/bin/mount -a
mkdir -p /dev/pts
mount -t devpts devpts /dev/pts
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
mdev -s

 

# console : 将用户态的输出打印到串口上

sudo mknod console c 5 1

编译内核

 

cd linux-5.4.34
make defconfig ARCH=arm64

vim .config

#内容

CONFIG_DEBUG_INFO=y
CONFIG_INITRAMFS_SOURCE="./root"
CONFIG_INITRAMFS_ROOT_UID=0
CONFIG_INITRAMFS_ROOT_GID=0

 

sudo cp -r ../busybox-1.33.1/_install root
sudo mknod root/dev/console c 5 1

执行编译

make ARCH=arm64 Image -j8 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

 

启动qemu

 下载qemu4.2.1

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

启动内核

qemu-system-aarch64 -m 512M -smp 4 -cpu cortex-a57 -machine virt -kernel arch/arm64/boot/Image -append "rdinit=/linuxrc nokaslr console=ttyAMA0 loglevel=8" -nographic -s

 

分析系统调用

test.c

#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);
#else
      asm volatile(
          "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;
}

交叉编译

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

重新编译

make ARCH=arm64 Image -j8  CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

断点调试

 

系统调用的执行过程：

ARM64 架构下 Linux 系统调用由同步异常 svc 指令触发，当用户态（EL0 级）程序调用库函数 gettimeofday() 从而触发系统调用的时候，先把系统调用的参数依次放入 X0-X5 这 6 个寄存器，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（EL1 级）。

异常发生时，CPU 首先把异常的原因（比如执行 svc 指令触发系统调用）放在 ESR_EL1 寄存器里；把当前的处理器状态（PSTATE）放入 SPSR_EL1 寄存器里；把当前程序指针寄存器 PC 的值存入 ELR_EL1 寄存器里（保存断点），然后 CPU 通过异常向量表（vectors）基地址和异常的类型计算出异常处理程序的入口地址，即 VBAR_EL1 寄存器加上偏移量取得异常处理的入口地址，接着开始执行异常处理入口的第一行代码。这一过程是 CPU 硬件自动完成的，不需要程序干预。然后，以 svc 指令对应的 el0_sync 为例，el0_sync 处的内核汇编代码首先做的就是保存异常发生时程序的执行现场（保存现场，即用户栈、通用寄存器等），然后根据异常发生的原（ESR_EL1 寄存器中的内容）跳转到 el0_svc，el0_svc 会调用 el0_svc_handler、el0_svc_common 函数，将 X8 寄存器（regs->regs[8]）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（恢复现场）。最后内核调用异常返回指令 eret，CPU 硬件把 ELR_EL1 写回 PC，把 SPSR_EL1 写回 PSTATE，返回用户态继续执行用户态程序。