VxWorks自定义动态系统调用的应用

VxWorks自定义动态系统调用的应用解建伟;赖前程;曹成军;张兴旺【摘要】The user mode application through system calls interface can access the kernel services and hardware resources.Custom system calls in VxWorks has a very important role in applicationdevelopment.Applications of user mode are able to access more kernel functions or other hardware resources through custom systemcalls,extending the scope of application.Thus,the concept of custom system calls in VxWorks and the system calls process are described,then the implementation process of the dynamical custom system calls is introduced step by step.Finally,the method of using dynamical custom system calls in application program is introduced.%系统调用是用户模式程序访问内核服务、硬件资源的接口.自定义的系统调用在VxWorks程序开发中有着非常重要的作用.通过自定义系统调用可以让用户模式的程序访问更多的内核函数、硬件资源,可以扩展程序的应用范围.简单论述VxWorks中自定义系统调用的概念,描述系统调用的过程,分步介绍自定义动态系统调用的实现过程.最后介绍应用程序中动态系统调用的使用方法.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2017(034)002【总页数】5页(P242-245,266)【关键词】VxWorks;自定义;系统调用【作者】解建伟;赖前程;曹成军;张兴旺【作者单位】中国电器科学研究院有限公司广东广州510300;中国电器科学研究院有限公司广东广州510300;中国电器科学研究院有限公司广东广州510300;中国电器科学研究院有限公司广东广州510300【正文语种】中文【中图分类】TP316.2VxWorks是美国风河公司设计开发的嵌入式实时操作系统，它支持多种处理器平台，具有较高的可扩展性与安全性。

VxWorks在6.0版本之前的系统只提供一个内存地址空间，用户程序和操作系统程序没有做隔离，所有的任务都运行在特权模式。

尽管这种形式为程序开发提供了比较好的性能和灵活性，但也使内核与应用程序在内存空间存在相互干扰的可能。

在6.0版本以后，操作系统开始支持实时进程RTP(real-time processes)，它支持应用程序在用户模式运行，并且是与操作系统内核完全隔离的运行模型。

这种模型是专门为满足硬实时操作系统对确定性和速度的要求而设计[1]。

VxWorks中的RTP在很多方面都与Unix和Linux的用户态的进程类似，每个进程都有自己的地址空间，包括可执行代码、数据堆栈以及自身相关的管理资源[2]。

这使得系统的安全性得到极大提高，同时系统调用接口为用户态的应用程序提供了访问内核的接口[3]。

系统调用常用于RTP程序访问内核服务，CPU外设或其他硬件资源。

需要说明的是应用编程接口(API)与系统调用是不同的，前者是一个函数定义，说明如何获得一个给定的服务，而后者是通过软中断向内核发出一个明确的模式切换请求[4]。

由于特权模式的内核程序和用户模式程序有不同的指令集和内存管理单元MMU(memory management unit)设置，应用程序运行在用户模式时不能直接访问内核函数和数据结构。

用户模式程序执行系统调用函数时系统从用户模式切换到CPU特权级别的内核模式，当执行完函数后再恢复到用户模式[5]。

VxWorks中系统调用的模式切换过程对使用者来说是透明的[1]。

在RTP程序中使用实时系统原有的系统调用与内核交互时，时常会出现不满足设计需求或性能指标的情况[6]。

通过增加自定义系统调用，我们可以根据自己的需求，来给内核增加特定的功能，满足性能指标和设计需求[7]。

在VxWorks中的系统调用一般可分为两大类，一类是操作系统定义的系统调用，像exit、create、open、semGive等都是系统调用；另外一类是用户自定义的系统调用。

VxWorks中的自定义系统调用又分为静态自定义系统调用和动态自定义系统调用两种。

这两种系统调用的实现方式不同，性能都基本一致，但是它们各有优缺点。

自定义的静态系统调用的优势在于它是与操作系统源码一起编译，可根据需要修改系统原有的系统调用函数；在使用时与普通的函数调用方式一致。

不足之处是修改定义系统调用要对系统核心文件作修改，编译调试，这会带来比较大的工作量，一个小小的失误往往会使系统不稳定甚至崩溃，系统可靠性和稳定性不容易保证；同时增加、修改系统调用都比较麻烦，使得系统可维护性与可移植性将会降低[8]。

动态的系统调用只需要在运行时向系统注册自定义系统调用，不需要像自定义静态系统调用那样修改VxWorks源代码文件，不需要与操作系统一起重新编译生成[2]。

其优势是不需要对系统核心代码做更改，减少了对内核稳定性的影响；同时对新增系统调用的修改、更新、删除都比较方便。

不足之处在于一般不能通过名字直接访问动态系统调用函数，在应用的时候需要知道自定义动态系统调用的组编号和索引位置，然后统一由syscall函数调用。

2.1 分析与设计在VxWorks6.9实时操作系统中用户自定义的系统调用主要有3个元素：(1) 系统调用。

执行系统调用的是使用汇编语言编写的一个函数，它通过C语言调用。

区别不同系统调用的方式是在调用时使用系统调用函数名字和系统调用编号，这是系统开发人员定义的。

(2) 捕获处理。

当用户RTP程序访问系统调用时会执行捕获指令处理，它将调用的程序从用户模式切换到特权(内核)模式执行。

系统调用编号传递给内核去识别关联的函数。

在内核中，捕获处理从用户堆栈或寄存器空间拷贝系统调用参数到内核堆栈空间，然后调用系统调用关联匹配的处理函数。

(3) 处理函数。

系统调用的处理函数是系统开发者编写的程序，它只有一个结构体变量参数，结构体成员就是系统调用的参数[3]。

当系统从处理函数返回，调用任务将从特权(内核)模式切换到用户模式。

用户自定义动态系统调用程序的实现一般可以分为以下3个步骤：(1) 设计参数结构，编写处理函数；(2) 添加系统调用处理表结构信息；(3) 注册系统调用函数及相关设置。

VxWorks文档建议，对于添加动态系统调用的方法最好使用统一的命名约定，使得系统调用的逻辑一致性和代码的清晰度最好。

命名约定如表1所示。

设计的实时控制系统中需要实现RTP应用程序读写FPGA中的数据动态系统调用，其中FPGA是挂载在处理器的IFC(Integrated Flash Controller)接口上通过绝对地址访问。

根据命名约束，在内核任务程序中需要实现两个自定义动态系统调用get_fpga_registerSc和set_fpga_registerSc函数，并为它们注册合适的系统调用编号，检查系统调用的注册信息。

最后在RTP程序中通过使用此动态统调用访问FPGA的寄存器内容，检查执行正确性。

2.2 实现过程第一步是设计、编写动态系统调用函数，及其参数结构。

自定义读写函数的系统调用其声明如下：int set_fpga_registerSc(SysCallSetRegScArgs *pArgs);int get_fpga_registerSc(SysCallGetRegScArgs *pArgs);其中动态系统调用定义必须要有整型的返回值，参数是通过指向参数结构体的指针来进行传递。

自定义动态系统调用函数最多可以有8个参数，即最多可以只有8个结构体成员。

每个参数长度都是本机字大小(32位处理器参数长度就是32位，64位处理器参数长度就是64位)，如果在32位系统上要传递64位参数需要特别处理。

get_fpga_registerSc系统调用有2个参数，其传递的参数结构体如下：typedef struct{unsigned int index;unsigned short* pV;} SysCallGetRegScArgs;函数get_fpga_registerSc的执行是在内核中完成，执行时所有参数在使用前必须做边界值检查，验证使用的内存地址，以及检查数据结构的有效性。

对内存地址的验证是实际大小的缓冲大小，而不是最大缓冲大小。

也就是说RTP程序分配了一个20个字节的缓冲区，那么系统调用函数应该验证这20个字节的内存，如果系统调用函数验证这个缓冲的最大长度(比如64个字节)可能会因为只有20个字节被分配而出错。

解决这个问题的最好方法是通过参数告诉系统调用函数使用的缓冲空间的大小信息。

对动态系统调用函数get_fpga_registerSc的实现如下：int get_fpga_registerSc(SysCallGetRegScArgs *pArgs){if(pArgs->index > FPGA_AGREED_MAX_SIZE){errno = EMSGSIZE;return ERROR;}if (scMemValidate (pArgs->pV, sizeof(unsigned short), SC_PROT_WRITE) == ERROR){errno = EINVAL;return ERROR;}if(FPGA_GetValue(pArgs->index，pArgs->pV)==ERROR){errno = EINVAL;return ERROR;}return OK;}在执行时首先验证读取的FPGA地址是否已经超出了可访问范围，然后使用scMemValidate函数来验证第二个参数地址写入的有效性，最后读取FPGA指定地址的数据并返回。

系统调用内存验证函数scMemValidate的第一个参数是验证的起始地址，第二个是验证地址的数据或结构的长度，第三个参数是地址空间访问模式，它分为读、写、以及线程安全的读写3种模式。

这3种模式中的读、写可以组合使用，而线程安全的读写不可以组合使用。

在参数检查、内存验证、以及执行过程中如果出现了错误，需要根据具体情况对errno设置一个合适的异常值，然后返回错误-1(ERROR)，如果正常则返回0(OK)。