Systemaufrufe

In diesem Kapitel werden wir uns mit Systemaufrufen unter Linux beschäftigen. Insbesondere werden wir:

Eine Einführung in Linux-Systemaufrufe geben, Grundlegende Systemaufrufe wie exit, read, write, open und close kennenlernen und Erklären, wie Parameter übergeben und Rückgabewerte entgegengenommen werden.

Einführung in Linux-Systemaufrufe

Systemaufrufe sind Schnittstellen, die es Programmen ermöglichen, Dienste und Funktionen des Betriebssystems in Anspruch zu nehmen. Diese können niedrigere Eingabe-/Ausgabe-Funktionen, Prozesssteuerung, Speicherverwaltung und mehr umfassen. In ARM64-Assembler verwenden wir den svc-Befehl, um Systemaufrufe auszuführen. Dabei tragen wir die Nummer des spezifischen Systemaufrufs in Register x8 ein und die Parameter in Registers x0 bis x5.

Grundlegende Systemaufrufe

exit

Dieser Systemaufruf beendet das Programm.

Syntax:

mov x8, #93   // syscall number for exit
mov x0, #0    // exit code (0 for success)
svc 0

read

Dieser Systemaufruf liest Daten von einer Datei.

Syntax:

mov x8, #63           // syscall number for read
mov x0, #file_desc    // file descriptor (0 for stdin)
mov x1, #buffer       // buffer to store the read data
mov x2, #size         // number of bytes to read
svc 0

write

Dieser Systemaufruf schreibt Daten in eine Datei.

Syntax:

mov x8, #64           // syscall number for write
mov x0, #file_desc    // file descriptor (1 for stdout)
mov x1, #buffer       // buffer with data to write
mov x2, #size         // number of bytes to write
svc 0

open

Dieser Systemaufruf öffnet eine Datei und gibt einen Datei-Deskriptor zurück.

Syntax:

mov x8, #56           // syscall number for openat
mov x0, #-100         // AT_FDCWD (current working directory)
mov x1, #filename     // pointer to the filename string
mov x2, #flags        // flags (e.g., O_RDONLY for read only)
svc 0

close

Dieser Systemaufruf schließt eine Datei.

Syntax:

mov x8, #57           // syscall number for close
mov x0, #file_desc    // file descriptor
svc 0

Übergabe von Parametern und Entgegennahme von Rückgabewerten

Die Übergabe von Parametern erfolgt über bestimmte Register:

• x0 bis x5 für die ersten sechs Argumente
• x8 für die Systemaufrufnummer

Rückgabewerte werden in x0 zurückgegeben.

Beispiel:

.global _start

.section .data
hello_msg: .asciz "Hello, World!\n"

_start:
    // write system call
    mov x0, #1         // file descriptor (1 for stdout)
    ldr x1, =hello_msg // buffer
    mov x2, #13        // size
    mov x8, #64        // syscall number for write
    svc 0

    // exit system call
    mov x0, #0         // exit code
    mov x8, #93        // syscall number for exit
    svc 0

In diesem Beispiel wird die Zeichenkette "Hello, World!\n" auf die Standardausgabe geschrieben und danach das Programm mit dem Rückgabewert 0 beendet.

Verweis auf alle verfügbaren Linux-Systemaufrufe

Eine vollständige Liste der verfügbaren Linux-Systemaufrufe und deren Nummern finden Sie in den entsprechenden Header-Dateien des Systems, wie z.B. in /usr/include/asm/unistd.h oder online in den offiziellen Linux-Kernel-Dokumentationen.

Eine häufig verwendete Referenz für Systemaufrufe ist die Man-Seite (man 2 syscall). Eine umfassendere Liste spezifisch für den ARM64-Architektur habe ich hier erstellt: Übersicht der Linux ARM64 Systemaufrufen

Fehlercodes

Wenn ein Systemcall ausgeführt wird (z. B. write, open, read), prüft der Kernel, ob die Anfrage gültig ist, und führt sie aus – oder gibt einen Fehlercode zurück, wenn etwas schiefgeht.

Viele Systemcalls geben in x0 ein Ergebnis wie zum Beispiel die Anzahl von Bytes, ein Dateideskriptor, PID oder anderes zurück, wenn alles geklappt hat. Sollte allerdings ein negatives Ergebnis (errno) zurück kommen, so hat in der Regel etwas nicht funktioniert.

Beispiel:

    // Datei öffnen (openat)
    mov     x0,  AT_FDCWD        // aktuelles Verzeichnis
    ldr     x1,  =filename       // Dateiname
    mov     x2,  #0              // O_RDONLY
    mov     x8,  #56             // syscall number für openat
    svc     #0

    // Rückgabewert ist jetzt in x0
    cmp     x0, #0
    b.ge    open_success         // x0 >= 0 → Erfolg

    // Fehlerbehandlung
    neg     x1, x0               // Fehlercode positiv machen
    // Jetzt enthält x1 z.B. 2 → ENOENT (Datei nicht gefunden)

open_success:
    // normal weiter...

Übersicht der Fehlercodes

Der Fehlercode wird in x0 als negativer Wert zurückgegeben, wenn es einer gab.

Manche Systemaufrufe erzeugen einen Fehlercode

---

Wenn x0 negativ -> negieren -> dann Fehler: https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/uapi/asm-generic/errno.h https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/uapi/asm-generic/errno-base.h

In der Parameterübergabe erwarten viele SystemCalls eine Struktur. Ein einfacher SystemCall wie nanosleep wird als C-Code wie folgt aufgerufen:

 int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);

Dieser Aufruf erwartet jeweils eine Struktur "timespec", die in x0 und x1 übergeben wird. Diese Struktur ist wie folgt definiert:

struct timespec {
  time_t tv_sec; /* seconds */
  long tv_nsec; /* nanoseconds */
};

Nach Assembler:

timespec:
 timespec_tv_sec:  .dword 0
 timespec_tv_nsec: .dword 100000000

Um es der Funktion zu übergeben:

ldr x0,=timespec
ldr x1,=timespec

Arbeiten mit Dateien

https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/uapi/asm-generic/fcntl.h Datei öffnen:

mov x0,#-100
ldr x1,=Dateiname
mov x2,#flags //O_RDONLY, O_WRONLY, =O_CREAT
mov x3,#666
mov x8,#323 //#define __NR_openat		323
svc 0

Rückgabe in x0 ->

adds x10,XZR,x0 //file descriptor nach x10
bpl ok //Wenn positiv, dann hat es geklappt
Fehler...

Datei schließen:

mov x0,x10  //Beispiel x10 für file descriptor
mov x8,#118 //#define __NR_fsync		118
svc 0
mov x0,x10  //Beispiel x10 für file descriptor
mov x8,#6   //#define __NR_close		  6
svc 0

Lesen aus einer Datei:

mov x0,x10     //Beispiel x10 für file descriptor
ldr x1,=buffer //Hierhin sollen die Daten geladen werden
mov x2,#256    //Max Anzahl an Bytes, die geladen werden sollen (Beispiel: 256Bytes)
mov x8,#3      //#define __NR_read		  3
svc 0

Speichern in eine Datei:

mov x0,x10     //Beispiel x10 für file descriptor
ldr x1,=buffer //Von hier sollen die Daten gespeichert werden
mov x2,#256    //Anzahl an Bytes, die gespeichert werden sollen (Beispiel: 256Bytes)
mov x8,#4      //#define __NR_write		  4
svc 0

Ein Beispiel in ARM64-Assembler für Linux, das zeigt, wie Sie eine Datei öffnen, die Daten lesen, bearbeiten und anschließend die bearbeiteten Daten in einer anderen Datei speichern können. Ich werde dafür Systemaufrufe (syscalls) verwenden.

Überblick der Schritte: Datei öffnen (open). Daten aus der Datei lesen (read). Daten bearbeiten (In diesem Beispiel ändern wir die Daten nicht, sie könnten aber leicht modifiziert werden). Neue Datei erstellen und öffnen (open). Daten in die neue Datei schreiben (write). Beide Dateien schließen (close). Vollständiges Beispiel in ARM64-Assembler: .section .data

   filename:   .asciz "input.txt"
   newfilename:.asciz "output.txt"
   buffer:     .space 1024  // Pufferspeicher zum Lesen der Datei

.section .bss

   .lcomm result, 4    // Speicher für den Rückgabewert von syscalls

.section .text .global _start _start:

   // Datei öffnen (input.txt)
   mov     x0, 0         // stdin als File Descriptor (0)
   ldr     x1, =filename // filename in x1 laden
   mov     x2, 0         // O_RDONLY (0)
   mov     x8, 2         // Syscall-Nummer für 'open' ist 2
   svc     0             // Systemaufruf

   mov     x19, x0       // x0 enthält den File Descriptor
   ldr     x1, =buffer   // Speicheradresse des Puffers in x1 laden
   mov     x2, 1024      // Maximale Anzahl von Bytes zu lesen
   mov     x8, 63        // Syscall-Nummer für 'read' ist 63
   svc     0             // Systemaufruf

   // Ergebnis der gelesenen Bytes in x0 speichern
   mov     x20, x0

   // Datei zum Schreiben öffnen (output.txt)
   ldr     x1, =newfilename // filename in x1 laden
   mov     x2, 241          // O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC (241)
   mov     x3, 0644         // Modus 0644 (rw-r--r--)
   mov     x8, 2            // Syscall-Nummer für 'open' (2)
   svc     0                // Systemaufruf

   mov     x21, x0          // File Descriptor für die Ausgabedatei

   // Daten in die neue Datei schreiben
   ldr     x1, =buffer      // Speicheradresse des Puffers in x1 laden
   mov     x2, x20          // Anzahl der gelesenen Bytes
   mov     x0, x21          // File Descriptor der Ausgabedatei
   mov     x8, 64           // Syscall-Nummer für 'write' (64)
   svc     0                // Systemaufruf

   // Eingabedatei schließen
   mov     x0, x19          // File Descriptor der Eingabedatei
   mov     x8, 57           // Syscall-Nummer für 'close' (57)
   svc     0                // Systemaufruf

   // Ausgabedatei schließen
   mov     x0, x21          // File Descriptor der Ausgabedatei
   mov     x8, 57           // Syscall-Nummer für 'close' (57)
   svc     0                // Systemaufruf

   // Beende das Programm
   mov     x8, 93           // Syscall-Nummer für 'exit' (93)
   mov     x0, 0            // Rückgabewert 0
   svc     0                // Systemaufruf

Erklärung: Datenabschnitt: .section .data:

filename: Speichert den Namen der Eingabedatei input.txt. newfilename: Speichert den Namen der Ausgabedatei output.txt. buffer: Ein Speicherbereich zum Lesen und Schreiben der Dateiinhalte. .section .bss:

Speicher zur Speicherung des Rückgabewerts von read. Textabschnitt: Datei öffnen (input.txt):

mov x0, 0: Bereitet den Systemaufruf vor, um stdin als Dateideskriptor zu verwenden. ldr x1, =filename: Lädt die Adresse des Dateinamens in x1. mov x2, 0: Setzt den Modus auf O_RDONLY (nur lesen). mov x8, 2: Setzt die Systemaufrufnummer für open (2). svc 0: Führt den Systemaufruf aus. Der Dateideskriptor wird in x0 zurückgegeben und in x19 gespeichert. Daten lesen:

ldr x1, =buffer: Lädt die Adresse des Puffers in x1. mov x2, 1024: Gibt an, dass bis zu 1024 Bytes gelesen werden. mov x8, 63: Setzt die Systemaufrufnummer für read (63). svc 0: Führt den Systemaufruf aus. Die Anzahl der gelesenen Bytes wird in x0 zurückgegeben und in x20 gespeichert. Datei öffnen (output.txt):

ldr x1, =newfilename: Lädt die Adresse des neuen Dateinamens in x1. mov x2, 241: Setzt den Modus auf O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC (schreiben, Datei erstellen, Datei kürzen). mov x3, 0644: Setzt die Dateiberechtigungen auf rw-r--r--. mov x8, 2: Setzt die Systemaufrufnummer für open (2). svc 0: Führt den Systemaufruf aus. Der Dateideskriptor wird in x0 zurückgegeben und in x21 gespeichert. Daten schreiben:

ldr x1, =buffer: Lädt die Adresse des Puffers in x1. mov x2, x20: Setzt die Anzahl der zu schreibenden Bytes auf die Anzahl der gelesenen Bytes. mov x0, x21: Setzt den Dateideskriptor auf die Ausgabedatei. mov x8, 64: Setzt die Systemaufrufnummer für write (64). svc 0: Führt den Systemaufruf aus. Dateien schließen:

mov x0, x19: Setzt den Dateideskriptor auf die Eingabedatei. mov x8, 57: Setzt die Systemaufrufnummer für close (57). svc 0: Führt den Systemaufruf aus. mov x0, x21: Setzt den Dateideskriptor auf die Ausgabedatei. mov x8, 57: Setzt die Systemaufrufnummer für close (57). svc 0: Führt den Systemaufruf aus. Programm beenden:

mov x8, 93: Setzt die Systemaufrufnummer für exit (93). mov x0, 0: Setzt den Rückgabewert auf 0. svc 0: Führt den Systemaufruf aus und beendet das Programm. Dieses Beispiel demonstriert die wesentlichen Systemaufrufe und die Datenbearbeitung in einem ARM64-Assemblerprogramm unter Linux.

Linux Systemaufrufe

https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/uapi/asm-generic/unistd.h https://github.com/ilbers/linux/blob/master/arch/sh/include/uapi/asm/unistd_64.h

x0–x7: Parameterübergabe x8: SystemCallNummer svc 0 -> Aufruf des Systemcalls x0: Ergebniss

Wenn x0 negativ -> negieren -> dann Fehler: https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/uapi/asm-generic/errno.h https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/uapi/asm-generic/errno-base.h

In der Parameterübergabe erwarten viele SystemCalls eine Struktur. Ein einfacher SystemCall wie nanosleep wird als C-Code wie folgt aufgerufen:

 int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);

Dieser Aufruf erwartet jeweils eine Struktur "timespec", die in x0 und x1 übergeben wird. Diese Struktur ist wie folgt definiert:

struct timespec {
  time_t tv_sec; /* seconds */
  long tv_nsec; /* nanoseconds */
};

Nach Assembler:

timespec:
 timespec_tv_sec:  .dword 0
 timespec_tv_nsec: .dword 100000000

Um es der Funktion zu übergeben:

ldr x0,=timespec
ldr x1,=timespec