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[pintos-anon] / doc / intro.texi
1 @node Introduction, Pintos Tour, Top, Top
2 @chapter Introduction
3
4 Welcome to Pintos.  Pintos is a simple operating system framework for
5 the 80@var{x}86 architecture.  It supports kernel threads, loading and
6 running user programs, and a file system, but it implements all of
7 these in a very simple way.  In the Pintos projects, you and your
8 project team will strengthen its support in all three of these areas.
9 You will also add a virtual memory implementation.
10
11 Pintos could, theoretically, run on a regular IBM-compatible PC.
12 Unfortunately, it is impractical to supply every CS 140 student
13 a dedicated PC for use with Pintos.  Therefore, we will run Pintos projects
14 in a system simulator, that is, a program that simulates an 80@var{x}86
15 CPU and its peripheral devices accurately enough that unmodified operating
16 systems and software can run under it.  In class we will use the
17 @uref{http://bochs.sourceforge.net, , Bochs} and 
18 @uref{http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/, ,
19 qemu} simulators.  Pintos has also been tested with
20 @uref{http://www.vmware.com/products/server/gsx_features.html, ,
21 VMware GSX Server}.
22
23 These projects are hard.  CS 140 has a reputation of taking a lot of
24 time, and deservedly so.  We will do what we can to reduce the workload, such
25 as providing a lot of support material, but there is plenty of
26 hard work that needs to be done.  We welcome your
27 feedback.  If you have suggestions on how we can reduce the unnecessary
28 overhead of assignments, cutting them down to the important underlying
29 issues, please let us know.
30
31 This chapter explains how to get started working with Pintos.  You
32 should read the entire chapter before you start work on any of the
33 projects.
34
35 @menu
36 * Getting Started::             
37 * Grading::                     
38 * License::                     
39 * Acknowledgements::            
40 * Trivia::                      
41 @end menu
42
43 @node Getting Started
44 @section Getting Started
45
46 To get started, you'll have to log into a machine that Pintos can be
47 built on.  The CS140 ``officially supported''
48 Pintos development machines are the machines in Sweet Hall managed by
49 Stanford ITSS, as described on the
50 @uref{http://www.stanford.edu/services/cluster/environs/sweet/, , ITSS
51 webpage}.  You may use the Solaris or Linux machines.  We will test your
52 code on these machines, and the instructions given here assume this
53 environment.  However, Pintos and its supporting tools are portable
54 enough that it should build ``out of the box'' in other environments.
55
56 Once you've logged into one of these machines, either locally or
57 remotely, start out by adding our binaries directory to your @env{PATH}
58 environment.  Under @command{csh}, Stanford's login shell, you can do so
59 with this command:@footnote{The term @samp{`uname -m`} expands to either
60 @file{sun4u} or @file{i686} according to the type of computer you're
61 logged into.}
62 @example
63 set path = ( /usr/class/cs140/`uname -m`/bin $path )
64 @end example
65 @noindent
66 @strong{Notice that both @samp{`} are left single quotes or
67 ``backticks,'' not apostrophes (@samp{'}).}
68 It is a good idea to add this line to the @file{.cshrc} file
69 in your home directory.  Otherwise, you'll have to type it every time
70 you log in.
71
72 @menu
73 * Source Tree Overview::        
74 * Building Pintos::             
75 * Running Pintos::              
76 * Debugging versus Testing::    
77 @end menu
78
79 @node Source Tree Overview
80 @subsection Source Tree Overview
81
82 Now you can extract the source for Pintos into a directory named
83 @file{pintos/src}, by executing
84 @example
85 tar xzf /usr/class/cs140/pintos/pintos.tar.gz
86 @end example
87 Alternatively, fetch
88 @uref{http://@/www.stanford.edu/@/class/@/cs140/@/pintos/@/pintos.@/tar.gz}
89 and extract it in a similar way.
90
91 Let's take a look at what's inside.  Here's the directory structure
92 that you should see in @file{pintos/src}:
93
94 @table @file
95 @item threads/
96 Source code for the base kernel, which you will modify starting in
97 project 1.
98
99 @item userprog/
100 Source code for the user program loader, which you will modify
101 starting with project 2.
102
103 @item vm/
104 An almost empty directory.  You will implement virtual memory here in
105 project 3.
106
107 @item filesys/
108 Source code for a basic file system.  You will use this file system
109 starting with project 2, but you will not modify it until project 4.
110
111 @item devices/
112 Source code for I/O device interfacing: keyboard, timer, disk, etc.
113 You will modify the timer implementation in project 1.  Otherwise
114 you should have no need to change this code.
115
116 @item lib/
117 An implementation of a subset of the standard C library.  The code in
118 this directory is compiled into both the Pintos kernel and, starting
119 from project 2, user programs that run under it.  In both kernel code
120 and user programs, headers in this directory can be included using the
121 @code{#include <@dots{}>} notation.  You should have little need to
122 modify this code.
123
124 @item lib/kernel/
125 Parts of the C library that are included only in the Pintos kernel.
126 This also includes implementations of some data types that you are
127 free to use in your kernel code: bitmaps, doubly linked lists, and
128 hash tables.  In the kernel, headers in this
129 directory can be included using the @code{#include <@dots{}>}
130 notation.
131
132 @item lib/user/
133 Parts of the C library that are included only in Pintos user programs.
134 In user programs, headers in this directory can be included using the
135 @code{#include <@dots{}>} notation.
136
137 @item tests/
138 Tests for each project.  You can modify this code if it helps you test
139 your submission, but we will replace it with the originals before we run
140 the tests.
141
142 @item examples/
143 Example user programs for use starting with project 2.
144
145 @item misc/
146 @itemx utils/
147 These files may come in handy if you decide to try working with Pintos
148 away from the ITSS machines.  Otherwise, you can ignore them.
149 @end table
150
151 @node Building Pintos
152 @subsection Building Pintos
153
154 As the next step, build the source code supplied for
155 the first project.  First, @command{cd} into the @file{threads}
156 directory.  Then, issue the @samp{make} command.  This will create a
157 @file{build} directory under @file{threads}, populate it with a
158 @file{Makefile} and a few subdirectories, and then build the kernel
159 inside.  The entire build should take less than 30 seconds.
160
161 Watch the commands executed during the build.  On the Linux machines,
162 the ordinary system tools are used.  On a SPARC machine, special build
163 tools are used, whose names begin with @samp{i386-elf-}, e.g.@:
164 @code{i386-elf-gcc}, @code{i386-elf-ld}.  These are ``cross-compiler''
165 tools.  That is, the build is running on a SPARC machine (called the
166 @dfn{host}), but the result will run on a simulated 80@var{x}86 machine
167 (called the @dfn{target}).  The @samp{i386-elf-@var{program}} tools are
168 specially built for this configuration.
169
170 Following the build, the following are the interesting files in the
171 @file{build} directory:
172
173 @table @file
174 @item Makefile
175 A copy of @file{pintos/src/Makefile.build}.  It describes how to build
176 the kernel.  @xref{Adding Source Files}, for more information.
177
178 @item kernel.o
179 Object file for the entire kernel.  This is the result of linking
180 object files compiled from each individual kernel source file into a
181 single object file.  It contains debug information, so you can run
182 @command{gdb} or @command{backtrace} (@pxref{Backtraces}) on it.
183
184 @item kernel.bin
185 Memory image of the kernel.  These are the exact bytes loaded into
186 memory to run the Pintos kernel.  To simplify loading, it is always
187 padded out with zero bytes up to an exact multiple of 4 kB in
188 size.
189
190 @item loader.bin
191 Memory image for the kernel loader, a small chunk of code written in
192 assembly language that reads the kernel from disk into memory and
193 starts it up.  It is exactly 512 bytes long, a size fixed by the
194 PC BIOS.
195
196 @item os.dsk
197 Disk image for the kernel, which is just @file{loader.bin} followed by
198 @file{kernel.bin}.  This file is used as a ``virtual disk'' by the
199 simulator.
200 @end table
201
202 Subdirectories of @file{build} contain object files (@file{.o}) and
203 dependency files (@file{.d}), both produced by the compiler.  The
204 dependency files tell @command{make} which source files need to be
205 recompiled when other source or header files are changed.
206
207 @node Running Pintos
208 @subsection Running Pintos
209
210 We've supplied a program for conveniently running Pintos in a simulator,
211 called @command{pintos}.  In the simplest case, you can invoke
212 @command{pintos} as @code{pintos @var{argument}@dots{}}.  Each
213 @var{argument} is passed to the Pintos kernel for it to act on.
214
215 Try it out.  First @command{cd} into the newly created @file{build}
216 directory.  Then issue the command @code{pintos run alarm-multiple},
217 which passes the arguments @code{run alarm-multiple} to the Pintos
218 kernel.  In these arguments, @command{run} instructs the kernel to run a
219 test and @code{alarm-multiple} is the test to run.
220
221 This command creates a @file{bochsrc.txt} file, which is needed for
222 running Bochs, and then invoke Bochs.  Bochs opens a new window that
223 represents the simulated machine's display, and a BIOS message briefly
224 flashes.  Then Pintos boots and runs the @code{alarm-multiple} test
225 program, which outputs a few screenfuls of text.  When it's done, you
226 can close Bochs by clicking on the ``Power'' button in the window's top
227 right corner, or rerun the whole process by clicking on the ``Reset''
228 button just to its left.  The other buttons are not very useful for our
229 purposes.
230
231 (If no window appeared at all, and you just got a terminal full of
232 corrupt-looking text, then you're probably logged in remotely and X
233 forwarding is not set up correctly.  In this case, you can fix your X
234 setup, or you can use the @option{-v} option to disable X output:
235 @code{pintos -v -- run alarm-multiple}.)
236
237 The text printed by Pintos inside Bochs probably went by too quickly to
238 read.  However, you've probably noticed by now that the same text was
239 displayed in the terminal you used to run @command{pintos}.  This is
240 because Pintos sends all output both to the VGA display and to the first
241 serial port, and by default the serial port is connected to Bochs's
242 @code{stdout}.  You can log this output to a file by redirecting at the
243 command line, e.g.@: @code{pintos run alarm-multiple > logfile}.
244
245 The @command{pintos} program offers several options for configuring the
246 simulator or the virtual hardware.  If you specify any options, they
247 must precede the commands passed to the Pintos kernel and be separated
248 from them by @option{--}, so that the whole command looks like
249 @code{pintos @var{option}@dots{} -- @var{argument}@dots{}}.  Invoke
250 @code{pintos} without any arguments to see a list of available options.
251 Options can select a simulator to use: the default is Bochs, but on the
252 Linux machines @option{--qemu} selects qemu.  You can run the simulator
253 with a debugger (@pxref{gdb}).  You can set the amount of memory to give
254 the VM.  Finally, you can select how you want VM output to be displayed:
255 use @option{-v} to turn off the VGA display, @option{-t} to use your
256 terminal window as the VGA display instead of opening a new window
257 (Bochs only), or @option{-s} to suppress the serial output to
258 @code{stdout}.
259
260 The Pintos kernel has commands and options other than @command{run}.
261 These are not very interesting for now, but you can see a list of them
262 using @option{-h}, e.g.@: @code{pintos -h}.
263
264 @node Debugging versus Testing
265 @subsection Debugging versus Testing
266
267 When you're debugging code, it's useful to be able to run a
268 program twice and have it do exactly the same thing.  On second and
269 later runs, you can make new observations without having to discard or
270 verify your old observations.  This property is called
271 ``reproducibility.''  The simulator we use by default, Bochs, can be set
272 up for
273 reproducibility, and that's the way that @command{pintos} invokes it
274 by default.
275
276 Of course, a simulation can only be reproducible from one run to the
277 next if its input is the same each time.  For simulating an entire
278 computer, as we do, this means that every part of the computer must be
279 the same.  For example, you must use the same command-line argument, the
280 same disks, the same version
281 of Bochs, and you must not hit any keys on the keyboard (because you
282 could not be sure to hit them at exactly the same point each time)
283 during the runs.
284
285 While reproducibility is useful for debugging, it is a problem for
286 testing thread synchronization, an important part of most of the projects.  In
287 particular, when Bochs is set up for reproducibility, timer interrupts
288 will come at perfectly reproducible points, and therefore so will
289 thread switches.  That means that running the same test several times
290 doesn't give you any greater confidence in your code's correctness
291 than does running it only once.
292
293 So, to make your code easier to test, we've added a feature, called
294 ``jitter,'' to Bochs, that makes timer interrupts come at random
295 intervals, but in a perfectly predictable way.  In particular, if you
296 invoke @command{pintos} with the option @option{-j @var{seed}}, timer
297 interrupts will come at irregularly spaced intervals.  Within a single
298 @var{seed} value, execution will still be reproducible, but timer
299 behavior will change as @var{seed} is varied.  Thus, for the highest
300 degree of confidence you should test your code with many seed values.
301
302 On the other hand, when Bochs runs in reproducible mode, timings are not
303 realistic, meaning that a ``one-second'' delay may be much shorter or
304 even much longer than one second.  You can invoke @command{pintos} with
305 a different option, @option{-r}, to set up Bochs for realistic
306 timings, in which a one-second delay should take approximately one
307 second of real time.  Simulation in real-time mode is not reproducible,
308 and options @option{-j} and @option{-r} are mutually exclusive.
309
310 On the Linux machines only, the qemu simulator is available as an
311 alternative to Bochs (use @option{--qemu} when invoking
312 @command{pintos}).  The qemu simulator is much faster than Bochs, but it
313 only supports real-time simulation and does not have a reproducible
314 mode.
315
316 @node Grading
317 @section Grading
318
319 We will grade your assignments based on test results and design quality,
320 each of which comprises 50% of your grade.
321
322 @menu
323 * Testing::                     
324 * Design::                      
325 @end menu
326
327 @node Testing
328 @subsection Testing
329
330 Your test result grade will be based on our tests.  Each project has
331 several tests, each of which has a name beginning with @file{tests}.
332 To completely test your submission, invoke @code{make check} from the
333 project @file{build} directory.  This will build and run each test and
334 print a ``pass'' or ``fail'' message for each one.  When a test fails,
335 @command{make check} also prints some details of the reason for failure.
336 After running all the tests, @command{make check} also prints a summary
337 of the test results.
338
339 For project 1, the tests will probably run faster in Bochs.  For the
340 rest of the projects, they will probably run faster in qemu.
341
342 You can also run individual tests one at a time.  A given test @var{t}
343 writes its output to @file{@var{t}.output}, then a script scores the
344 output as ``pass'' or ``fail'' and writes the verdict to
345 @file{@var{t}.result}.  To run and grade a single test, @command{make}
346 the @file{.result} file explicitly from the @file{build} directory, e.g.@:
347 @code{make tests/threads/alarm-multiple.result}.  If @command{make} says
348 that the test result is up-to-date, but you want to re-run it anyway,
349 either run @code{make clean} or delete the @file{.output} file by hand.
350
351 By default, each test provides feedback only at completion, not during
352 its run.  If you prefer, you can observe the progress of each test by
353 specifying @option{VERBOSE=1} on the @command{make} command line, as in
354 @code{make check VERBOSE=1}.  You can also provide arbitrary options to the
355 @command{pintos} run by the tests with @option{PINTOSOPTS='@dots{}'},
356 e.g.@: @code{make check PINTOSOPTS='--qemu'} to run the tests under
357 qemu.
358
359 All of the tests and related files are in @file{pintos/src/tests}.
360 Before we test your submission, we will replace the contents of that
361 directory by a pristine, unmodified copy, to ensure that the correct
362 tests are used.  Thus, you can modify some of the tests if that helps in
363 debugging, but we will run the originals.
364
365 All software has bugs, so some of our tests may be flawed.  If you think
366 a test failure is a bug in the test, not a bug in your code,
367 please point it out.  We will look at it and fix it if necessary.
368
369 Please don't try to take advantage of our generosity in giving out our
370 test suite.  Your code has to work properly in the general case, not
371 just for the test cases we supply.  For example, it would be unacceptable
372 to explicitly base the kernel's behavior on the name of the running
373 test case.  Such attempts to side-step the test cases will receive no
374 credit.  If you think your solution may be in a gray area here, please
375 ask us about it.
376
377 @node Design
378 @subsection Design
379
380 We will judge your design based on the design document and the source
381 code that you submit.  We will read your entire design document and much
382 of your source code.  
383
384 Don't forget that the design document is 50% of your project grade.  It
385 is better to spend one or two hours writing a good design document than
386 it is to spend that time getting the last 5% of the points for tests and
387 then trying to rush through writing the design document in the last 15
388 minutes.
389
390 @menu
391 * Design Document::             
392 * Source Code::                 
393 @end menu
394
395 @node Design Document
396 @subsubsection Design Document
397
398 We provide a design document template for each project.  For each
399 significant part of a project, the template asks questions in four
400 areas: 
401
402 @table @strong
403 @item Data Structures
404
405 The instructions for this section are always the same:
406
407 @quotation
408 Copy here the declaration of each new or changed @code{struct} or
409 @code{struct} member, global or static variable, @code{typedef}, or
410 enumeration.  Identify the purpose of each in 25 words or less.
411 @end quotation
412
413 The first part is mechanical.  Just copy new or modified declarations
414 into the design document, to highlight for us the actual changes to data
415 structures.  Each declaration should include the comment that should
416 accompany it in the source code (see below).
417
418 We also ask for a very brief description of the purpose of each new or
419 changed data structure.  The limit of 25 words or less is a guideline
420 intended to save your time and avoid duplication with later areas.
421
422 @item Algorithms
423
424 This is where you tell us how your code works, through questions that
425 probe your understanding of your code.  We might not be able to easily
426 figure it out from the code, because many creative solutions exist for
427 most OS problems.  Help us out a little.
428
429 Your answers should be at a level below the high level description of
430 requirements given in the assignment.  We have read the assignment too,
431 so it is unnecessary to repeat or rephrase what is stated there.  On the
432 other hand, your answers should be at a level above the low level of the
433 code itself.  Don't give a line-by-line run-down of what your code does.
434 Instead, use your answers to explain how your code works to implement
435 the requirements.
436
437 @item Synchronization
438
439 An operating system kernel is a complex, multithreaded program, in which
440 synchronizing multiple threads can be difficult.  This section asks
441 about how you chose to synchronize this particular type of activity.
442
443 @item Rationale
444
445 Whereas the other sections primarily ask ``what'' and ``how,'' the
446 rationale section concentrates on ``why.''  This is where we ask you to
447 justify some design decisions, by explaining why the choices you made
448 are better than alternatives.  You may be able to state these in terms
449 of time and space complexity, which can be made as rough or informal
450 arguments (formal language or proofs are unnecessary).
451 @end table
452
453 An incomplete, evasive, or non-responsive design document or one that
454 strays from the template without good reason may be penalized.
455 Incorrect capitalization, punctuation, spelling, or grammar can also
456 cost points.  @xref{Project Documentation}, for a sample design document
457 for a fictitious project.
458
459 @node Source Code
460 @subsubsection Source Code
461
462 Your design will also be judged by looking at your source code.  We will
463 typically look at the differences between the original Pintos source
464 tree and your submission, based on the output of a command like
465 @code{diff -urpb pintos.orig pintos.submitted}.  We will try to match up your
466 description of the design with the code submitted.  Important
467 discrepancies between the description and the actual code will be
468 penalized, as will be any bugs we find by spot checks.
469
470 The most important aspects of source code design are those that specifically
471 relate to the operating system issues at stake in the project.  For
472 example, the organization of an inode is an important part of file
473 system design, so in the file system project a poorly designed inode
474 would lose points.  Other issues are much less important.  For
475 example, multiple Pintos design problems call for a ``priority
476 queue,'' that is, a dynamic collection from which the minimum (or
477 maximum) item can quickly be extracted.  Fast priority queues can be
478 implemented many ways, but we do not expect you to build a fancy data
479 structure even if it might improve performance.  Instead, you are
480 welcome to use a linked list (and Pintos even provides one with
481 convenient functions for sorting and finding minimums and maximums).
482
483 Pintos is written in a consistent style.  Make your additions and
484 modifications in existing Pintos source files blend in, not stick out.
485 In new source files, adopt the existing Pintos style by preference, but
486 make your code self-consistent at the very least.  There should not be a
487 patchwork of different styles that makes it obvious that three different
488 people wrote the code.  Use horizontal and vertical white space to make
489 code readable.  Add a brief comment on every structure, structure
490 member, global or static variable, and function definition.  Update
491 existing comments as you modify code.  Don't comment out or use the
492 preprocessor to ignore blocks of code (instead, remove it entirely).
493 Use assertions to document key invariants.  Decompose code into
494 functions for clarity.  Code that is difficult to understand because it
495 violates these or other ``common sense'' software engineering practices
496 will be penalized.
497
498 In the end, remember your audience.  Code is written primarily to be
499 read by humans.  It has to be acceptable to the compiler too, but the
500 compiler doesn't care about how it looks or how well it is written.
501
502 @node License
503 @section License
504
505 Pintos is distributed under a liberal license that allows free use,
506 modification, and distribution.  Students and others who work on Pintos
507 own the code that they write and may use it for any purpose.
508
509 In the context of Stanford's CS 140 course, please respect the spirit
510 and the letter of the honor code by refraining from reading any homework
511 solutions available online or elsewhere.  Reading the source code for
512 other operating system kernels, such as Linux or FreeBSD, is allowed,
513 but do not copy code from them literally.  Please cite the code that
514 inspired your own in your design documentation.
515
516 Pintos comes with NO WARRANTY, not even for MERCHANTABILITY or FITNESS
517 FOR A PARTICULAR PURPOSE.
518
519 The @file{LICENSE} file at the top level of the Pintos source
520 distribution has full details of the license and lack of warranty.
521
522 @node Acknowledgements
523 @section Acknowledgements
524
525 Pintos and this documentation were written by Ben Pfaff
526 @email{blp@@cs.stanford.edu}.
527
528 The original structure and form of Pintos was inspired by the Nachos
529 instructional operating system from the University of California,
530 Berkeley.  A few of the source files were originally more-or-less
531 literal translations of the Nachos C++ code into C.  These files bear
532 the original UCB license notice.
533
534 A few of the Pintos source files are derived from code used in the
535 Massachusetts Institute of Technology's 6.828 advanced operating systems
536 course.  These files bear the original MIT license notice.
537
538 The Pintos projects and documentation originated with those designed for
539 Nachos by current and former CS140 teaching assistants at Stanford
540 University, including at least Yu Ping, Greg Hutchins, Kelly Shaw, Paul
541 Twohey, Sameer Qureshi, and John Rector.  If you're not on this list but
542 should be, please let me know.
543
544 Example code for condition variables (@pxref{Condition Variables}) is
545 from classroom slides originally by Dawson Engler and updated by Mendel
546 Rosenblum.
547
548 @node Trivia
549 @section Trivia
550
551 Pintos originated as a replacement for Nachos with a similar design.
552 Since then Pintos has greatly diverged from the Nachos design.  Pintos
553 differs from Nachos in two important ways.  First, Pintos runs on real
554 or simulated 80@var{x}86 hardware, but Nachos runs as a process on a
555 host operating system.  Second, Pintos is written in C like most
556 real-world operating systems, but Nachos is written in C++.
557
558 Why the name ``Pintos''?  First, like nachos, pinto beans are a common
559 Mexican food.  Second, Pintos is small and a ``pint'' is a small amount.
560 Third, like drivers of the eponymous car, students are likely to have
561 trouble with blow-ups.