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系統調用入口機制：多架構對比理解（以 ARM64 為主）

本篇內容聚焦于系統調用的入口實現機制，重點以 ARM64 架構為例，同時對比 x86 和 RISC-V 架構的實現方式，從多角度幫助構建系統調用的總體認知體系。

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一、系統調用的核心概念

• 定義：系統調用是用戶態程序請求內核服務的一種受控方式。
• 目的：實現從用戶態到內核態的“安全切換”，如文件訪問、進程創建、內存管理等。
• 典型例子：open(), read(), write(), fork() 等。

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二、系統調用的觸發方式對比

架構	觸發指令	注釋	觸發入口源文件位置
ARM64	svc #0	使用 SVC（Supervisor Call）陷入內核	arch/arm64/kernel/entry.S
x86	int $0x80 / syscall	前者為老方式，后者為現代 CPU 使用方式	arch/x86/entry/entry_64.S
RISC-V	ecall	通過環境調用指令陷入內核	arch/riscv/kernel/entry.S

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三、以 ARM64 為例的系統調用執行流程

🔹 1. 用戶態觸發

int fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY);

• glibc 中 open() → syscall(SYS_open, ...)
• 執行 svc #0 指令，觸發異常

🔹 2. 異常向量入口

// arch/arm64/kernel/entry.S
el0_sync:bl el0_svc

說明：el0_sync 是從 EL0（用戶態）同步異常進入 EL1（內核態）的處理入口。

🔹 3. C 語言調用鏈

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() 中執行：

  • 讀取 x8（系統調用號）
  • 查表：sys_call_table[x8]
  • 執行對應系統調用實現函數，如 __arm64_sys_open()

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四、系統調用參數與返回值對比

架構	參數傳遞寄存器	系統調用號寄存器	返回值寄存器
ARM64	x0~x5	x8	x0
x86	eax, ebx, ecx…	eax	eax
RISC-V	a0~a5	a7	a0

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五、系統調用表與綁定機制

系統調用表是 syscall number 與實際內核函數之間的映射橋梁，實現“按號調用”的機制。

🔹 syscall 表文件位置

架構	系統調用表路徑
ARM64	arch/arm64/kernel/syscall_table.S
x86	arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl
RISC-V	arch/riscv/kernel/syscall_table.c

🔹 syscall 映射機制

1. 用戶態設置 syscall number（如 ARM64 用 x8）
2. 內核讀取 syscall number，從 syscall 表中查找對應函數指針
3. 執行綁定的系統調用函數（如 __arm64_sys_open()）

🔸 例子（ARM64 的 syscall_table.S）：

.long __arm64_sys_open        // 對應 __NR_open
.long __arm64_sys_read        // 對應 __NR_read

🔹 SYSCALL_DEFINE 展開示意

SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *filename, int flags, umode_t mode)

• 宏展開后生成 __arm64_sys_open()
• 并作為 syscall 表的一項注冊

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六、完整調用路徑梳理（ARM64）

用戶態↓
svc #0 （用戶態發起陷入）↓
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()

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七、調試與分析工具推薦

工具	用途
strace	跟蹤用戶態發起的系統調用
ftrace	跟蹤內核態 syscall 調用鏈
gdb	可調試匯編入口與寄存器設置
objdump / readelf	查看符號表與 ELF 結構

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八、常見問題總結

問題	答案
系統調用是中斷嗎？	是一種同步異常（軟中斷），可類比中斷處理但不同于 IRQ。
為什么每種架構入口不一樣？	不同指令集的陷入方式、特權級切換方式、寄存器約定不一樣。
系統調用號在哪設置？	通常在用戶態庫中寫入指定寄存器（如 ARM64 的 x8）。
怎么找到系統調用函數？	查 syscall 表，通過 syscall number 定位函數指針。
參數怎么傳？	不同架構采用不同寄存器（x0x5, a0a5, eax+ebx…）。
syscall 表作用是什么？	它是內核中系統調用號和函數之間的查找映射表，按號定位函數地址執行。

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📌 本文重點理解系統調用的“陷入路徑”，構建從用戶態到內核態的調用跳轉邏輯。后續配合“系統調用如何連接內核子系統”篇章，深入剖析 syscall 如何與 VFS、進程管理等模塊協作。