Update docs.
[pintos-anon] / doc / userprog.texi
1 @node Project 2--User Programs, Project 3--Virtual Memory, Project 1--Threads, Top
2 @chapter Project 2: User Programs
3
4 Now that you've worked with Pintos and are familiar with its
5 infrastructure and thread package, it's time to start working on the
6 parts of the system that will allow users to run programs on top of
7 your operating system.  The base code already supports loading and
8 running a single user program at a time with little interactivity
9 possible.  You will allow multiple programs to be loaded in at once,
10 and to interact with the OS via system calls.
11
12 You will be working out of the @file{userprog} directory for this
13 assignment.  However, you will also be interacting with almost every
14 other part of the code for this assignment. We will describe the
15 relevant parts below. If you are confident in your HW1 code, you can
16 build on top of it.  However, if you wish you can start with a fresh
17 copy of the code and re-implement @code{thread_join()}, which is the
18 only part of project #1 required for this assignment.
19
20 Up to now, all of the code you have written for Pintos has been part
21 of the operating system kernel.  This means, for example, that all the
22 test code from the last assignment ran as part of the kernel, with
23 full access to privileged parts of the system.  Once we start running
24 user programs on top of the operating system, this is no longer true.
25 This project deals with consequences of the change.
26
27 We allow more than one user program to run at a time.  Because user
28 programs are written and compiled to work under the illusion that they
29 have the entire machine, when you load into memory and run more than
30 one process at a time, you must manage things correctly to maintain
31 this illusion.
32
33 Before we delve into the details of the new code that you'll be
34 working with, you should probably undo the test cases from project 1.
35 All you need to do is make sure the original @file{threads/test.c} is
36 in place.  This will stop the tests from being run.
37
38 @menu
39 * Project 2 Code::              
40 * Using the File System::       
41 * How User Programs Work::      
42 * Global Requirements::         
43 * Problem 2-1 Argument Passing::  
44 * Problem 2-2 System Calls::    
45 * User Programs FAQ::           
46 * 80x86 Calling Convention::    
47 * System Calls::                
48 @end menu
49
50 @node Project 2 Code
51 @section Code
52
53 The easiest way to get an overview of the programming you will be
54 doing is to simply go over each part you'll be working with.  In
55 @file{userprog}, you'll find a small number of files, but here is
56 where the bulk of your work will be:
57
58 @table @file
59 @item addrspace.c
60 @itemx addrspace.h
61 An address space keeps track of all the data necessary to execute a
62 user program.  Address space data is stored in @code{struct thread},
63 but manipulated only by @file{addrspace.c}.  Address spaces need to
64 keep track of things like paging information for the process (so that
65 it knows which memory the process is using).  Address spaces also
66 handle loading the program into memory and starting up the process's
67 execution.
68
69 @item pagedir.c
70 @itemx pagedir.h
71 A simple manager for 80@var{x} page directories and page tables.
72 Although you probably won't want to modify this code for this project,
73 you may want to call some of its functions.  In particular,
74 @code{pagedir_get_page()} may be helpful for accessing user memory.
75
76 @item syscall.c
77 @itemx syscall.h
78 Whenever a user process wants to access some kernel functionality, it
79 needs to do so via a system call.  This is a skeleton system call
80 handler.  Currently, it just prints a message and terminates the user
81 process.  In part 2 of this project you will add code to do everything
82 else needed by system calls.
83
84 @item exception.c
85 @itemx exception.h
86 When a user process performs a privileged or prohibited operation, it
87 traps into the kernel as an ``exception'' or ``fault.''@footnote{We
88 will treat these terms as synonymous.  There is no standard
89 distinction between them, although the Intel processor manuals define
90 them slightly differently on 80@var{x}86.}  These files handle
91 exceptions.  Currently all exceptions simply print a message and
92 terminate the process.  Some, but not all, solutions to project 2
93 require modifying @code{page_fault()} in this file.
94
95 @item gdt.c
96 @itemx gdt.c
97 The 80@var{x}86 is a segmented architecture.  The Global Descriptor
98 Table (GDT) is a table that describes the segments in use.  These
99 files set up the GDT.  @strong{You should not need to modify these
100 files for any of the projects.}  However, you can read the code if
101 you're interested in how the GDT works.
102
103 @item tss.c
104 @itemx tss.c
105 The Task-State Segment (TSS) is used for 80@var{x}86 architectural
106 task switching.  Pintos uses the TSS only for switching stacks when a
107 user process enters an interrupt handler, as does Linux.  @strong{You
108 should not need to modify these files for any of the projects.}
109 However, you can read the code if you're interested in how the GDT
110 works.
111 @end table
112
113 Finally, in @file{lib/kernel}, you might want to use
114 @file{bitmap.[ch]}.  A bitmap is basically an array of bits, each of
115 which can be true or false.  Bitmaps are typically used to keep track
116 of the usage of a large array of (identical) resources: if resource
117 @var{n} is in use, then bit @var{n} of the bitmap is true.  You might
118 find it useful for tracking memory pages, for example.
119
120 @node Using the File System
121 @section Using the File System
122
123 You will need to use some file system code for this project.  First,
124 user programs are loaded from the file system.  Second, many of the
125 system calls you must implement deal with the file system.  However,
126 the focus of this project is not on the file system code, so we have
127 provided a simple file system in the @file{filesys} directory.  You
128 will want to look over the @file{filesys.h} and @file{file.h}
129 interfaces to understand how to use the file system, and especially
130 its many limitations.  @strong{You should not modify the file system
131 code for this project}.  Proper use of the file system routines now
132 will make life much easier for project 4, when you improve the file
133 system implementation.
134
135 You need to be able to create and format simulated disks.  The
136 @command{pintos} program provides this functionality with its
137 @option{make-disk} command.  From the @file{filesys/build} directory,
138 execute @code{pintos make-disk fs.dsk 2}.  This command creates a 2 MB
139 simulated disk named @file{fs.dsk}.  (It does not actually start
140 Pintos.)  Then format the disk by passing the @option{-f} option to
141 Pintos on the kernel's command line: @code{pintos run -f}.
142
143 You'll need a way to get files in and out of the simulated file
144 system.  The @code{pintos} @option{put} and @option{get} commands are
145 designed for this.  To copy @file{@var{file}} into the Pintos file
146 system, use the command @file{pintos put @var{file}}.  To copy it to
147 the Pintos file system under the name @file{@var{newname}}, add the
148 new name to the end of the command: @file{pintos put @var{file}
149 @var{newname}}.  The commands for copying files out of a VM are
150 similar, but substitute @option{get} for @option{get}.
151
152 Incidentally, these commands work by passing special options
153 @option{-ci} and @option{-co} on the kernel's command line and copying
154 to and from a special simulated disk named @file{scratch.dsk}.  If
155 you're very curious, you can look at the @command{pintos} program as
156 well as @file{filesys/fsutil.c} to learn the implementation details,
157 but it's really not relevant for this project.
158
159 You can delete a file from the Pintos file system using the @option{-r
160 @var{file}} kernel option, e.g.@: @code{pintos run -r @var{file}}.
161 Also, @option{-ls} lists the files in the file system and @option{-p
162 @var{file}} prints a file's contents to the display.
163
164 @node How User Programs Work
165 @section How User Programs Work
166
167 Pintos can run normal C programs.  In fact, it can run any program you
168 want, provided it's compiled into the proper file format, and uses
169 only the system calls you implement.  (For example, @code{malloc()}
170 makes use of functionality that isn't provided by any of the syscalls
171 we require you to support.)  The only other limitation is that Pintos
172 can't run programs using floating point operations, since it doesn't
173 include the necessary kernel functionality to save and restore the
174 processor's floating-point unit when switching threads.  You can look
175 in @file{test} directory for some examples.
176
177 Pintos loads ELF executables, where ELF is an executable format used
178 by Linux, Solaris, and many other Unix and Unix-like systems.
179 Therefore, you can use any compiler and linker that produce
180 80@var{x}86 ELF executables to produce programs for Pintos.  We
181 recommend using the tools we provide in the @file{tests} directory.  By
182 default, the @file{Makefile} in this directory will compile the test
183 programs we provide.  You can edit the @file{Makefile} to compile your
184 own test programs as well.
185
186 One thing you should realize immediately is that, until you use the
187 above operation to copy a test program to the emulated disk, Pintos
188 will be unable to do very much useful work.  You will also find that
189 you won't be able to do interesting things until you copy a variety of
190 programs to the disk.  A useful technique is to create a clean
191 reference disk and copy that over whenever you trash your
192 @file{fs.dsk} beyond a useful state, which may happen occasionally
193 while debugging.
194
195 @node Virtual Memory Layout
196 @section Virtual Memory Layout
197
198 Virtual memory in Pintos is divided into two regions: user virtual
199 memory and kernel virtual memory.  User virtual memory ranges from
200 virtual address 0 up to @code{PHYS_BASE}, which is defined in
201 @file{threads/mmu.h} and defaults to @t{0xc0000000} (3 GB).  Kernel
202 virtual memory occupies the rest of the virtual address space, from
203 @code{PHYS_BASE} up to 4 GB.
204
205 User virtual memory is per-process.  Conceptually, each process is
206 free to use the entire space of user virtual memory however it
207 chooses.  When the kernel switches from one process to another, it
208 also switches user virtual address spaces by switching the processor's
209 page directory base register (see @code{pagedir_activate() in
210 @file{userprog/pagedir.c}}.
211
212 Kernel virtual memory is global.  It is always mapped the same way,
213 regardless of what user process or kernel thread is running.  In
214 Pintos, kernel virtual memory is mapped one-to-one to physical
215 memory.  That is, virtual address @code{PHYS_ADDR} accesses physical
216 address 0, virtual address @code{PHYS_ADDR} + @t{0x1234} access
217 physical address @t{0x1234}, and so on up to the size of the machine's
218 physical memory.
219
220 User programs can only access user virtual memory.  An attempt to
221 access kernel virtual memory will cause a page fault, handled by
222 @code{page_fault()} in @file{userprog/exception.c}, and the process
223 will be terminated.  Kernel threads can access both kernel virtual
224 memory and, if a user process is running, the user virtual memory of
225 the running process.  However, an attempt to access memory at a user
226 virtual address that doesn't have a page mapped into it will also
227 cause a page fault.
228
229 @node Global Requirements
230 @section Global Requirements
231
232 For testing and grading purposes, we have some simple requirements for
233 your output.  The kernel should print out the program's name and exit
234 status whenever a process exits, e.g.@: @code{shell: exit(-1)}.  Aside
235 from this, it should print out no other messages.  You may understand
236 all those debug messages, but we won't, and it just clutters our
237 ability to see the stuff we care about.
238
239 Additionally, while it may be useful to hard-code which process will
240 run at startup while debugging, before you submit your code you must
241 make sure that it takes the start-up process name and arguments from
242 the @samp{-ex} argument.  For example, running @code{pintos run -ex
243 "testprogram 1 2 3 4"} will spawn @samp{testprogram 1 2 3 4} as the
244 first process.
245
246 @node Problem 2-1 Argument Passing
247 @section Problem 2-1: Argument Passing
248
249 Currently, @code{thread_execute()} does not support passing arguments
250 to new processes.  UNIX and other operating systems do allow passing
251 command line arguments to a program, which accesses them via the argc,
252 argv arguments to main.  You must implement this functionality by
253 extending @code{thread_execute()} so that instead of simply taking a
254 program file name, it can take a program name with arguments as a
255 single string.  That is, @code{thread_execute("grep foo *.c")} should
256 be a legal call.  @xref{80x86 Calling Convention}, for information on
257 exactly how this works.
258
259 @strong{This functionality is extremely important.}  Almost all our
260 test cases rely on being able to pass arguments, so if you don't get
261 this right, a lot of things will not appear to work correctly with our
262 tests.  If the tests fail, so do you.  Fortunately, this part
263 shouldn't be too hard.
264
265 @node Problem 2-2 System Calls
266 @section Problem 2-2: System Calls
267
268 Implement the system call handler in @file{userprog/syscall.c} to
269 properly deal with all the system calls described below.  Currently,
270 it ``handles'' system calls by terminating the process.  You will need
271 to decipher system call arguments and take the appropriate action for
272 each.
273
274 You are required to support the following system calls, whose syscall
275 numbers are defined in @file{lib/syscall-nr.h} and whose C functions
276 called by user programs are prototyped in @file{lib/user/syscall.h}:
277
278 @table @code
279 @item SYS_halt
280 @itemx void halt (void)
281 Stops Pintos and prints out performance statistics.  Note that this
282 should be seldom used, since then you lose some information about
283 possible deadlock situations, etc.
284
285 @item SYS_exit
286 @itemx void exit (int @var{status})
287 Terminates the current user program, returning @var{status} to the
288 kernel.  A @var{status} of 0 indicates a successful exit.  Other
289 values may be used to indicate user-defined error conditions.
290
291 @item SYS_exec
292 @itemx pid_t exec (const char *@var{file})
293 Run the executable in @var{file} and return the new process's program
294 id (pid).  If there is an error loading this program, returns pid -1,
295 which otherwise should not be a valid id number.
296
297 @item SYS_join
298 @itemx int join (pid_t @var{pid})
299 Joins the process @var{pid}, using the join rules from the last
300 assignment, and returns the process's exit status.  If the process was
301 terminated by the kernel (i.e.@: killed due to an exception), the exit
302 status should be -1.  If the process was not a child of the calling
303 process, the return value is undefined (but kernel operation must not
304 be disrupted).
305
306 @item SYS_create
307 @itemx bool create (const char *@var{file})
308 Create a new file called @var{file}.  Returns -1 if failed, 0 if OK.
309
310 @item SYS_remove
311 @itemx bool remove (const char *@var{file})
312 Delete the file called @var{file}.  Returns -1 if failed, 0 if OK.
313
314 @item SYS_open
315 @itemx int open (const char *@var{file})
316 Open the file called @var{file}.  Returns a nonnegative integer handle
317 called a ``file descriptor'' (fd), or -1 if the file could not be
318 opened.  File descriptors numbered 0 and 1 are reserved for the
319 console.  All open files associated with a process should be closed
320 when the process exits or is terminated.
321
322 @item SYS_filesize
323 @itemx int filesize (int @var{fd})
324 Returns the size, in bytes, of the file open as @var{fd}, or -1 if the
325 file is invalid.
326
327 @item SYS_read
328 @itemx int read (int @var{fd}, void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
329 Read @var{size} bytes from the file open as @var{fd} into
330 @var{buffer}.  Returns the number of bytes actually read, or -1 if the
331 file could not be read.
332
333 @item SYS_write
334 @itemx int write (int @var{fd}, const void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
335 Write @var{size} bytes from @var{buffer} to the open file @var{fd}.
336 Returns the number of bytes actually written, or -1 if the file could
337 not be written.
338
339 @item SYS_seek
340 @itemx void seek (int @var{fd}, unsigned @var{position})
341 Changes the next byte to be read or written in open file @var{fd} to
342 @var{position}, expressed in bytes from the beginning of the file.
343 (Thus, a @var{position} of 0 is the file's start.)
344
345 @item SYS_tell
346 @itemx unsigned tell (int @var{fd})
347 Returns the position of the next byte to be read or written in open
348 file @var{fd}, expressed in bytes from the beginning of the file.
349
350 @item SYS_close
351 @itemx void close (int @var{fd})
352 Close file descriptor @var{fd}.
353 @end table
354
355 The file defines other syscalls.  Ignore them for now.  You will
356 implement some of them in project 3 and the rest in project 4, so be
357 sure to design your system with extensibility in mind.
358
359 To implement syscalls, you will need to provide a way of copying data
360 from the user's virtual address space into the kernel and vice versa.
361 This can be a bit tricky: what if the user provides an invalid
362 pointer, a pointer into kernel memory, or points to a block that is
363 partially in one of those regions?  You should handle these cases by
364 terminating the user process.  You will need this code before you can
365 even obtain the system call number, because the system call number is
366 on the user's stack in the user's virtual address space.  We recommend
367 writing and testing this code before implementing any other system
368 call functionality.
369
370 You must make sure that system calls are properly synchronized so that
371 any number of user processes can make them at once.  In particular, it
372 is not safe to call into the filesystem code provided in the
373 @file{filesys} directory from multiple threads at once.  For now, we
374 recommend adding a single lock that controls access to the filesystem
375 code.  You should acquire this lock before calling any functions in
376 the @file{filesys} directory, and release it afterward.  Don't forget
377 that @file{addrspace_load()} also accesses files.  @strong{For now, we
378 recommend against modifying code in the @file{filesys} directory.}
379
380 We have provided you a function for each system call in
381 @file{lib/user/syscall.c}.  These provide a way for user processes to
382 invoke each system call from a C program.  Each of them calls an
383 assembly language routine in @file{lib/user/syscall-stub.S}, which in
384 turn invokes the system call interrupt and returns.
385
386 When you're done with this part, and forevermore, Pintos should be
387 bulletproof.  Nothing that a user program can do should ever cause the
388 OS to crash, halt, assert fail, or otherwise stop running.  The sole
389 exception is a call to the @code{halt} system call.
390
391 @xref{System Calls}, for more information on how syscalls work.
392
393 @node User Programs FAQ
394 @section FAQ
395
396 @enumerate 1
397 @item General FAQs
398
399 @enumerate 1
400 @item
401 @b{Do we need a working project 1 to implement project 2?}
402
403 You may find the code for @code{thread_join()} to be useful in
404 implementing the join syscall, but besides that, you can use
405 the original code provided for project 1.
406
407 @item
408 @b{Is there a way I can disassemble user programs?}
409
410 The @command{i386-elf-objdump} utility can disassemble entire user
411 programs or object files.  Invoke it as @code{i386-elf-objdump -d
412 @var{file}}.  You can also use @code{i386-elf-gdb}'s
413 @command{disassemble} command to disassemble individual functions in
414 object files compiled with debug information.
415
416 @item
417 @b{Why can't I use many C include files in my Pintos programs?}
418
419 The C library we provide is very limited.  It does not include many of
420 the features that are expected of a real operating system's C library.
421 The C library must be built specifically for the operating system (and
422 architecture), since it must make system calls for I/O and memory
423 allocation.  (Not all functions do, of course, but usually the library
424 is compiled as a unit.)  If you wish to port libraries to Pintos, feel
425 free.
426
427 @item
428 @b{How do I compile new user programs? How do I make 'echo' compile?}
429
430 You need to modify @file{tests/Makefile}.
431
432 @item
433 @b{What's the difference between @code{tid_t} and @code{pid_t}?}
434
435 A @code{tid_t} identifies a kernel thread, which may have a user
436 process running in it (if created with @code{thread_execute()}) or not
437 (if created with @code{thread_create()}).  It is a data type used only
438 in the kernel.
439
440 A @code{pid_t} identifies a user process.  It is used by user
441 processes and the kernel in the @code{exec} and @code{join} system
442 calls.
443
444 You can choose whatever suitable types you like for @code{tid_t} and
445 @code{pid_t}.  By default, they're both @code{int}.  You can make them
446 a one-to-one mapping, so that the same values in both identify the
447 same process, or you can use a more complex mapping.  It's up to you.
448
449 @item
450 @b{I can't seem to figure out how to read from and write to user
451 memory. What should I do?}
452
453 The kernel must treat user memory delicately.  The user can pass a
454 null pointer or an invalid pointer (one that doesn't point to any
455 memory at all), or a kernel pointer (above @code{PHYS_BASE}).  All of
456 these must be rejected without harm to the kernel or other running
457 processes.
458
459 There are at least two reasonable ways to access user memory.  First,
460 you can translate user addresses (below @code{PHYS_BASE}) into kernel
461 addresses (above @code{PHYS_BASE}) using the functions in
462 @file{pagedir.c}, and then access kernel memory.  Second, you can
463 dereference user pointers directly and handle page faults by
464 terminating the process.  In either case, you'll need to reject kernel
465 pointers as a special case.
466
467 @item
468 @b{I'm also confused about reading from and writing to the stack. Can
469 you help?}
470
471 @itemize @bullet
472 @item
473 Only non-@samp{char} values will have issues when writing them to
474 memory.  If a digit is in a string, it is considered a character.
475 However, the value of @code{argc} would be a non-char.
476
477 @item
478 You will need to write characters and non-characters into main memory.
479
480 @item
481 When you add items to the stack, you will be decrementing the stack
482 pointer.  You'll need to decrement the stack pointer before writing to
483 the location.
484
485 @item
486 Each character is 1 byte.
487 @end itemize
488 @end enumerate
489
490 @item Argument Passing FAQs
491
492 @enumerate 1
493 @item
494 @b{What will be the format of command line arguments?}
495
496 You should assume that command line arguments are delimited by white
497 space.
498
499 @item
500 @b{What is the maximum length of the command line arguments?}
501
502 You can impose some reasonable maximum as long as you're prepared to
503 defend it in your @file{DESIGNDOC}.
504
505 @item
506 @b{How do I parse all these argument strings?}
507
508 You're welcome to use any technique you please, as long as it works.
509 If you're lost, look at @code{strtok_r()}, prototyped in
510 @file{lib/string.h} and implemented with thorough comments in
511 @file{lib/string.c}.  You can find more about it by looking at the man
512 page (run @code{man strtok_r} at the prompt).
513
514 @item
515 @b{Why is the top of the stack at @t{0xc0000000}?  Isn't that off the
516 top of user virtual memory?  Shouldn't it be @t{0xbfffffff}?}
517
518 When the processor pushes data on the stack, it decrements the stack
519 pointer first.  Thus, the first (4-byte) value pushed on the stack
520 will be at address @t{0xbffffffc}.
521
522 Also, the stack should always be aligned to a 4-byte boundary, but
523 @t{0xbfffffff} isn't.
524
525 @item
526 @b{Is @code{PHYS_BASE} fixed?}
527
528 No.  You should be able to support @code{PHYS_BASE} values that are
529 any multiple of @t{0x10000000} from @t{0x80000000} to @t{0xc0000000},
530 simply via recompilation.
531 @end enumerate
532
533 @item System Calls FAQs
534
535 @enumerate 1
536 @item
537 @b{What should I do with the parameter passed to @code{exit()}?}
538
539 This value, the exit status of the process, must be returned to the
540 thread's parent when @code{join()} is called.
541
542 @item
543 @b{Can I just cast a pointer to a @code{struct file} object to get a
544 unique file descriptor?  Can I just cast a @code{struct thread *} to a
545 @code{pid_t}?  It's so much simpler that way!}
546
547 This is a design decision you will have to make for yourself.
548 However, note that most operating systems do distinguish between file
549 descriptors (or pids) and the addresses of their kernel data
550 structures.  You might want to give some thought as to why they do so
551 before committing yourself.
552
553 @item
554 @b{Can I set a maximum number of open files per process?}
555
556 From a design standpoint, it would be better not to set an arbitrary
557 maximum.  That said, if your design calls for it, you may impose a
558 limit of 128 open files per process (as the Solaris machines here do).
559
560 @item
561 @b{What happens when two (or more) processes have a file open and one of
562 them removes it?}
563
564 You should copy the standard Unix semantics for files.  That is, when
565 a file is removed an process which has a file descriptor for that file
566 may continue to do operations on that descriptor.  This means that
567 they can read and write from the file.  The file will not have a name,
568 and no other processes will be able to open it, but it will continue
569 to exist until all file descriptors referring to the file are closed
570 or the machine shuts down.
571
572 @item
573 @b{What happens if a system call is passed an invalid argument, such
574 as Open being called with an invalid filename?}
575
576 Pintos should not crash.  Acceptable options include returning an
577 error value (for those calls that return a value), returning an
578 undefined value, or terminating the process.
579
580 @item
581 @b{I've discovered that some of my user programs need more than one 4
582 kB page of stack space.  What should I do?}
583
584 You may modify the stack setup code to allocate more than one page of
585 stack space for each process.
586
587 @item
588 @b{What do I need to print on thread completion?}
589
590 You should print the complete thread name (as specified in the
591 @code{SYS_exec} call) followed by the exit status code,
592 e.g.@: @samp{example 1 2 3 4: 0}.
593 @end enumerate
594 @end enumerate
595
596 @node 80x86 Calling Convention
597 @section 80@var{x}86 Calling Convention
598
599 What follows is a quick and dirty discussion of the 80@var{x}86
600 calling convention.  Some of the basics should be familiar from CS
601 107, and if you've already taken CS 143 or EE 182, then you should
602 have seen even more of it.  I've omitted some of the complexity, since
603 this isn't a class in how function calls work, so don't expect this to
604 be exactly correct in full, gory detail.  If you do want all the
605 details, you can refer to @cite{[SysV-i386]}.
606
607 Whenever a function call happens, you need to put the arguments on the
608 call stack for that function, before the code for that function
609 executes, so that the callee has access to those values.  The caller
610 has to be responsible for this (be sure you understand why).
611 Therefore, when you compile a program, the assembly code emitted will
612 have in it, before every function call, a bunch of instructions that
613 prepares for the call in whatever manner is conventional for the
614 machine you're working on.  This includes saving registers as needed,
615 putting stuff on the stack, saving the location to return to somewhere
616 (so that when the callee finishes, it knows where the caller code is),
617 and some other bookkeeping stuff.  Then you do the jump to the
618 callee's code, and it goes along, assuming that the stack and
619 registers are prepared in the appropriate manner.  When the callee is
620 done, it looks at the return location as saved earlier, and jumps back
621 to that location.  The caller may then have to do some cleanup:
622 clearing arguments and the return value off the stack, restoring
623 registers that were saved before the call, and so on.
624
625 If you think about it, some of these things should remind you of
626 context switching.
627
628 As an aside, in general, function calls are not cheap.  You have to do
629 a bunch of memory writes to prepare the stack, you need to save and
630 restore registers before and after a function call, you need to write
631 the stack pointer, you have a couple of jumps which probably wrecks
632 some of your caches.  This is why inlining code can be much faster.
633
634 @menu
635 * Argument Passing to main::    
636 @end menu
637
638 @node Argument Passing to main
639 @subsection Argument Passing to @code{main()}
640
641 In @code{main()}'s case, there is no caller to prepare the stack
642 before it runs.  Therefore, the kernel needs to do it.  Fortunately,
643 since there's no caller, there are no registers to save, no return
644 address to deal with, etc.  The only difficult detail to take care of,
645 after loading the code, is putting the arguments to @code{main()} on
646 the stack.
647
648 (The above is a small lie: most compilers will emit code where main
649 isn't strictly speaking the first function.  This isn't an important
650 detail.  If you want to look into it more, try disassembling a program
651 and looking around a bit.  However, you can just act as if
652 @code{main()} is the very first function called.)
653
654 Pintos is written for the 80@var{x}86 architecture.  Therefore, we
655 need to adhere to the 80@var{x}86 calling convention.  Basically, you
656 put all the arguments on the stack and move the stack pointer
657 appropriately.  You also need to insert space for the function's
658 ``return address'': even though the initial function doesn't really
659 have a caller, its stack frame must have the same layout as any other
660 function's.  The program will assume that the stack has been laid out
661 this way when it begins running.
662
663 So, what are the arguments to @code{main()}? Just two: an @samp{int}
664 (@code{argc}) and a @samp{char **} (@code{argv}).  @code{argv} is an
665 array of strings, and @code{argc} is the number of strings in that
666 array.  However, the hard part isn't these two things.  The hard part
667 is getting all the individual strings in the right place.  As we go
668 through the procedure, let us consider the following example command:
669 @samp{/bin/ls -l *.h *.c}.
670
671 The first thing to do is to break the command line into individual
672 strings: @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{*.h}, and @samp{*.c}.  These
673 constitute the arguments of the command, including the program name
674 itself (which belongs in @code{argv[0]}).
675
676 These individual, null-terminated strings should be placed on the user
677 stack.  They may be placed in any order, as you'll see shortly,
678 without affecting how main works, but for simplicity let's assume they
679 are in reverse order (keeping in mind that the stack grows downward on
680 an 80@var{x}86 machine).  As we copy the strings onto the stack, we
681 record their (virtual) stack addresses.  These addresses will become
682 important when we write the argument vector (two paragraphs down).
683
684 After we push all of the strings onto the stack, we adjust the stack
685 pointer so that it is word-aligned: that is, we move it down to the
686 next 4-byte boundary.  This is required because we will next be
687 placing several words of data on the stack, and they must be aligned
688 in order to be read correctly.  In our example, as you'll see below,
689 the strings start at address @t{0xffed}.  One word below that would be
690 at @t{0xffe9}, so we could in theory put the next word on the stack
691 there.  However, since the stack pointer should always be
692 word-aligned, we instead leave the stack pointer at @t{0xffe8}.
693
694 Once we align the stack pointer, we then push the elements of the
695 argument vector, that is, a null pointer, then the addresses of the
696 strings @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{*.h}, and @samp{*.c}) onto
697 the stack.  This must be done in reverse order, such that
698 @code{argv[0]} is at the lowest virtual address, again because the
699 stack is growing downward.  (The null pointer pushed first is because
700 @code{argv[argc]} must be a null pointer.)  This is because we are now
701 writing the actual array of strings; if we write them in the wrong
702 order, then the strings will be in the wrong order in the array.  This
703 is also why, strictly speaking, it doesn't matter what order the
704 strings themselves are placed on the stack: as long as the pointers
705 are in the right order, the strings themselves can really be anywhere.
706 After we finish, we note the stack address of the first element of the
707 argument vector, which is @code{argv} itself.
708
709 Then we push @code{argv} (that is, the address of the first element of
710 the @code{argv} array) onto the stack, along with the length of the
711 argument vector (@code{argc}, 4 in this example).  This must also be
712 done in this order, since @code{argc} is the first argument to
713 @code{main()} and therefore is on first (smaller address) on the
714 stack.  Finally, we push a fake ``return address'' and leave the stack
715 pointer to point to its location.
716
717 All this may sound very confusing, so here's a picture which will
718 hopefully clarify what's going on. This represents the state of the
719 stack and the relevant registers right before the beginning of the
720 user program (assuming for this example that the stack bottom is
721 @t{0xc0000000}):
722
723 @html
724 <CENTER>
725 @end html
726 @multitable {@t{0xbfffffff}} {``return address''} {@t{/bin/ls\0}}
727 @item Address @tab Name @tab Data
728 @item @t{0xbffffffc} @tab @code{*argv[3]} @tab @samp{*.c\0}
729 @item @t{0xbffffff8} @tab @code{*argv[2]} @tab @samp{*.h\0}
730 @item @t{0xbffffff5} @tab @code{*argv[1]} @tab @samp{-l\0}
731 @item @t{0xbfffffed} @tab @code{*argv[0]} @tab @samp{/bin/ls\0}
732 @item @t{0xbfffffec} @tab word-align @tab @samp{\0}
733 @item @t{0xbfffffe8} @tab @code{argv[4]} @tab @t{0}
734 @item @t{0xbfffffe4} @tab @code{argv[3]} @tab @t{0xbffffffc}
735 @item @t{0xbfffffe0} @tab @code{argv[2]} @tab @t{0xbffffff8}
736 @item @t{0xbfffffdc} @tab @code{argv[1]} @tab @t{0xbffffff5}
737 @item @t{0xbfffffd8} @tab @code{argv[0]} @tab @t{0xbfffffed}
738 @item @t{0xbfffffd4} @tab @code{argv} @tab @t{0xbffffffd8}
739 @item @t{0xbfffffd0} @tab @code{argc} @tab 4
740 @item @t{0xbfffffcc} @tab ``return address'' @tab 0
741 @end multitable
742 @html
743 </CENTER>
744 @end html
745
746 In this example, the stack pointer would be initialized to
747 @t{0xbfffffcc}.
748
749 As shown above, your code should start the stack at the very top of
750 the user virtual address space, in the page just below virtual address
751 @code{PHYS_BASE} (defined in @file{threads/mmu.h}).
752
753 You may find the non-standard @code{hex_dump()} function, declared in
754 @file{<stdio.h>}, useful for debugging your argument passing code.
755 Here's what it would show in the above example, given that
756 @code{PHYS_BASE} is @t{0xc0000000}:
757
758 @example
759 bfffffc0                                      00 00 00 00 |            ....|
760 bfffffd0  04 00 00 00 d8 ff ff bf-ed ff ff bf f5 ff ff bf |................|
761 bfffffe0  f8 ff ff bf fc ff ff bf-00 00 00 00 00 2f 62 69 |............./bi|
762 bffffff0  6e 2f 6c 73 00 2d 6c 00-2a 2e 68 00 2a 2e 63 00 |n/ls.-l.*.h.*.c.|
763 @end example
764
765 @node System Calls
766 @section System Calls
767
768 We have already been dealing with one way that the operating system
769 can regain control from a user program: interrupts from timers and I/O
770 devices.  These are ``external'' interrupts, because they are caused
771 by entities outside the CPU.
772
773 The operating system is also called to deal with software exceptions,
774 which are events generated in response to the code.  These can be
775 errors such as a page fault or division by zero.  However, exceptions
776 are also the means by which a user program can request services
777 (``system calls'') from the operating system.
778
779 In the 80@var{x}86 architecture, the @samp{int} instruction is the
780 most commonly used means for invoking system calls.  This instruction
781 is handled in the same way as other software exceptions.  In Pintos,
782 user programs invoke @samp{int $0x30} to make a system call.  The
783 system call number and any additional arguments are expected to be
784 pushed on the stack in the normal fashion before invoking the
785 interrupt.
786
787 The normal calling convention pushes function arguments on the stack
788 from right to left and the stack grows downward.  Thus, when the
789 system call handler @code{syscall_handler()} gets control, the system
790 call number is in the 32-bit word at the caller's stack pointer, the
791 first argument is in the 32-bit word at the next higher address, and
792 so on.  The caller's stack pointer is accessible to
793 @code{syscall_handler()} as the @samp{esp} member of the @code{struct
794 intr_frame} passed to it.
795
796 Here's an example stack frame for calling a system call numbered 10
797 with three arguments passed as 1, 2, and 3.  The stack addresses are
798 arbitrary:
799
800 @html
801 <CENTER>
802 @end html
803 @multitable {Address} {Value}
804 @item Address @tab Value
805 @item @t{0xbffffe7c} @tab 3
806 @item @t{0xbffffe78} @tab 2
807 @item @t{0xbffffe74} @tab 1
808 @item @t{0xbffffe70} @tab 10
809 @end multitable
810 @html
811 </CENTER>
812 @end html
813
814 In this example, the caller's stack pointer would be at
815 @t{0xbffffe70}.
816
817 The 80@var{x}86 convention for function return values is to place them
818 in the @samp{EAX} register.  System calls that return a value can do
819 so by modifying the @samp{eax} member of @code{struct intr_frame}.