Move problem 1-2 (join) into project 2 as the "wait" system call.
[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.  No code from project 1 is required for this
18 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
36 @menu
37 * Project 2 Code::              
38 * Using the File System::       
39 * How User Programs Work::      
40 * Virtual Memory Layout::       
41 * Grading Requirements::        
42 * Problem 2-1 Argument Passing::  
43 * Problem 2-2 System Calls::    
44 * User Programs FAQ::           
45 * 80x86 Calling Convention::    
46 * System Calls::                
47 @end menu
48
49 @node Project 2 Code
50 @section Code
51
52 The easiest way to get an overview of the programming you will be
53 doing is to simply go over each part you'll be working with.  In
54 @file{userprog}, you'll find a small number of files, but here is
55 where the bulk of your work will be:
56
57 @table @file
58 @item process.c
59 @itemx process.h
60 Loads ELF binaries and starts processes.
61
62 @item pagedir.c
63 @itemx pagedir.h
64 A simple manager for 80@var{x} page directories and page tables.
65 Although you probably won't want to modify this code for this project,
66 you may want to call some of its functions.  In particular,
67 @func{pagedir_get_page} may be helpful for accessing user memory.
68
69 @item syscall.c
70 @itemx syscall.h
71 Whenever a user process wants to access some kernel functionality, it
72 needs to do so via a system call.  This is a skeleton system call
73 handler.  Currently, it just prints a message and terminates the user
74 process.  In part 2 of this project you will add code to do everything
75 else needed by system calls.
76
77 @item exception.c
78 @itemx exception.h
79 When a user process performs a privileged or prohibited operation, it
80 traps into the kernel as an ``exception'' or ``fault.''@footnote{We
81 will treat these terms as synonymous.  There is no standard
82 distinction between them, although the Intel processor manuals define
83 them slightly differently on 80@var{x}86.}  These files handle
84 exceptions.  Currently all exceptions simply print a message and
85 terminate the process.  Some, but not all, solutions to project 2
86 require modifying @func{page_fault} in this file.
87
88 @item gdt.c
89 @itemx gdt.c
90 The 80@var{x}86 is a segmented architecture.  The Global Descriptor
91 Table (GDT) is a table that describes the segments in use.  These
92 files set up the GDT.  @strong{You should not need to modify these
93 files for any of the projects.}  However, you can read the code if
94 you're interested in how the GDT works.
95
96 @item tss.c
97 @itemx tss.c
98 The Task-State Segment (TSS) is used for 80@var{x}86 architectural
99 task switching.  Pintos uses the TSS only for switching stacks when a
100 user process enters an interrupt handler, as does Linux.  @strong{You
101 should not need to modify these files for any of the projects.}
102 However, you can read the code if you're interested in how the TSS
103 works.
104 @end table
105
106 Finally, in @file{lib/kernel}, you might want to use
107 @file{bitmap.[ch]}.  A bitmap is basically an array of bits, each of
108 which can be true or false.  Bitmaps are typically used to keep track
109 of the usage of a large array of (identical) resources: if resource
110 @var{n} is in use, then bit @var{n} of the bitmap is true.  You might
111 find it useful for tracking memory pages, for example.
112
113 @node Using the File System
114 @section Using the File System
115
116 You will need to use some file system code for this project.  First,
117 user programs are loaded from the file system.  Second, many of the
118 system calls you must implement deal with the file system.  However,
119 the focus of this project is not on the file system code, so we have
120 provided a simple file system in the @file{filesys} directory.  You
121 will want to look over the @file{filesys.h} and @file{file.h}
122 interfaces to understand how to use the file system, and especially
123 its many limitations.  @strong{You should not modify the file system
124 code for this project}.  Proper use of the file system routines now
125 will make life much easier for project 4, when you improve the file
126 system implementation.  Until then, you will have to put up with the
127 following limitations:
128
129 @itemize @bullet
130 @item
131 No synchronization.  Concurrent accesses will interfere with one
132 another, so external synchronization is needed.  @xref{Synchronizing
133 File Access}, for more details.
134
135 @item
136 File size is fixed at creation time.  Because the root directory is
137 represented as a file, the number of files that may be created is also
138 limited.
139
140 @item
141 File data is allocated as a single extent, that is, data in a single
142 file must occupy a contiguous range of sectors on disk.  External
143 fragmentation can therefore become a serious problem as a file system is
144 used over time.
145
146 @item
147 No subdirectories.
148
149 @item
150 File names are limited to 14 characters.
151
152 @item
153 A system crash mid-operation may corrupt the disk in a way
154 that cannot be repaired automatically.  No `fsck' tool is
155 provided in any case.
156 @end itemize
157
158 However one important feature is included:
159
160 @itemize @bullet
161 @item
162 Unix-like semantics for filesys_remove() are implemented.
163 That is, if a file is open when it is removed, its blocks
164 are not deallocated and it may still be accessed by the
165 threads that have it open until the last one closes it.  @xref{Removing
166 an Open File}, for more information.
167 @end itemize
168
169 You need to be able to create and format simulated disks.  The
170 @command{pintos} program provides this functionality with its
171 @option{make-disk} command.  From the @file{userprog/build} directory,
172 execute @code{pintos make-disk fs.dsk 2}.  This command creates a 2 MB
173 simulated disk named @file{fs.dsk}.  (It does not actually start
174 Pintos.)  Then format the disk by passing the @option{-f} option to
175 Pintos on the kernel's command line: @code{pintos run -f}.
176
177 You'll need a way to get files in and out of the simulated file
178 system.  The @code{pintos} @option{put} and @option{get} commands are
179 designed for this.  To copy @file{@var{file}} into the Pintos file
180 system, use the command @file{pintos put @var{file}}.  To copy it to
181 the Pintos file system under the name @file{@var{newname}}, add the
182 new name to the end of the command: @file{pintos put @var{file}
183 @var{newname}}.  The commands for copying files out of a VM are
184 similar, but substitute @option{get} for @option{get}.
185
186 Incidentally, these commands work by passing special options
187 @option{-ci} and @option{-co} on the kernel's command line and copying
188 to and from a special simulated disk named @file{scratch.dsk}.  If
189 you're very curious, you can look at the @command{pintos} program as
190 well as @file{filesys/fsutil.c} to learn the implementation details,
191 but it's really not relevant for this project.
192
193 Here's a summary of how you would create and format a disk, copy the
194 @command{echo} program into the new disk, and then run @command{echo}.
195 It assumes that you've already built the tests in
196 @file{tests/userprog} and that the current directory is
197 @file{userprog/build}:
198
199 @example
200 pintos make-disk fs.dsk 2
201 pintos run -f
202 pintos put ../../tests/userprog/echo echo
203 pintos run -ex echo
204 @end example
205
206 You can delete a file from the Pintos file system using the @option{-r
207 @var{file}} kernel option, e.g.@: @code{pintos run -r @var{file}}.
208 Also, @option{-ls} lists the files in the file system and @option{-p
209 @var{file}} prints a file's contents to the display.
210
211 @node How User Programs Work
212 @section How User Programs Work
213
214 Pintos can run normal C programs.  In fact, it can run any program you
215 want, provided it's compiled into the proper file format, and uses
216 only the system calls you implement.  (For example, @func{malloc}
217 makes use of functionality that isn't provided by any of the syscalls
218 we require you to support.)  The only other limitation is that Pintos
219 can't run programs using floating point operations, since it doesn't
220 include the necessary kernel functionality to save and restore the
221 processor's floating-point unit when switching threads.  You can look
222 in @file{tests/userprog} directory for some examples.
223
224 Pintos loads ELF executables, where ELF is an executable format used
225 by Linux, Solaris, and many other Unix and Unix-like systems.
226 Therefore, you can use any compiler and linker that produce
227 80@var{x}86 ELF executables to produce programs for Pintos.  We
228 recommend using the tools we provide in the @file{tests/userprog}
229 directory.  By default, the @file{Makefile} in this directory will
230 compile the test programs we provide.  You can edit the
231 @file{Makefile} to compile your own test programs as well.
232
233 One thing you should realize immediately is that, until you copy a
234 test program to the emulated disk, Pintos will be unable to do very
235 much useful work.  You will also find that you won't be able to do
236 interesting things until you copy a variety of programs to the disk.
237 A useful technique is to create a clean reference disk and copy that
238 over whenever you trash your @file{fs.dsk} beyond a useful state,
239 which may happen occasionally while debugging.
240
241 @node Virtual Memory Layout
242 @section Virtual Memory Layout
243
244 Virtual memory in Pintos is divided into two regions: user virtual
245 memory and kernel virtual memory.  User virtual memory ranges from
246 virtual address 0 up to @code{PHYS_BASE}, which is defined in
247 @file{threads/mmu.h} and defaults to @t{0xc0000000} (3 GB).  Kernel
248 virtual memory occupies the rest of the virtual address space, from
249 @code{PHYS_BASE} up to 4 GB.
250
251 User virtual memory is per-process.  Conceptually, each process is
252 free to use the entire space of user virtual memory however it
253 chooses.  When the kernel switches from one process to another, it
254 also switches user virtual address spaces by switching the processor's
255 page directory base register (see @func{pagedir_activate in
256 @file{userprog/pagedir.c}}.  @struct{thread} contains a pointer to a
257 process's page directory.
258
259 Kernel virtual memory is global.  It is always mapped the same way,
260 regardless of what user process or kernel thread is running.  In
261 Pintos, kernel virtual memory is mapped one-to-one to physical
262 memory.  That is, virtual address @code{PHYS_ADDR} accesses physical
263 address 0, virtual address @code{PHYS_ADDR} + @t{0x1234} access
264 physical address @t{0x1234}, and so on up to the size of the machine's
265 physical memory.
266
267 User programs can only access user virtual memory.  An attempt to
268 access kernel virtual memory will cause a page fault, handled by
269 @func{page_fault} in @file{userprog/exception.c}, and the process
270 will be terminated.  Kernel threads can access both kernel virtual
271 memory and, if a user process is running, the user virtual memory of
272 the running process.  However, even in the kernel, an attempt to
273 access memory at a user virtual address that doesn't have a page
274 mapped into it will cause a page fault.
275
276 You must handle memory fragmentation gracefully, that is, a process
277 that needs @var{N} pages of memory must not require that all @var{N}
278 be contiguous.  In fact, it must not require that any of the pages be
279 contiguous.
280
281 @node Grading Requirements
282 @section Grading Requirements
283
284 For testing and grading purposes, we have some simple overall
285 requirements:
286
287 @itemize @bullet
288 @item
289 The kernel should print out the program's name and exit status whenever
290 a process terminates, whether termination is caused by the @code{exit}
291 system call or for another reason.
292
293 @itemize @minus
294 @item
295 The message must be formatted exactly as if it was printed with
296 @code{printf ("%s: exit(%d)\n", @dots{});} given appropriate arguments.
297
298 @item
299 The name printed should be the full name passed to
300 @func{process_execute}, except that it is acceptable to truncate it to
301 15 characters to allow for the limited space in @struct{thread}.  The
302 name printed need not include arguments.
303
304 @item
305 Do not print a message when a kernel thread that is not a process
306 terminates.
307
308 @item
309 Do not print messages about process termination for the @code{halt}
310 system call.
311
312 @item
313 No message need be printed when a process fails to load.
314 @end itemize
315
316 @item
317 Aside from this, the kernel should print out no other messages that
318 Pintos as provided doesn't already print.  You
319 may understand all those debug messages, but we won't, and it just
320 clutters our ability to see the stuff we care about.
321
322 @item
323 Additionally, while it may be useful to hard-code which process will
324 run at startup while debugging, before you submit your code you must
325 make sure that it takes the start-up process name and arguments from
326 the @samp{-ex} argument.  For example, running @code{pintos run -ex
327 "testprogram 1 2 3 4"} will spawn @samp{testprogram 1 2 3 4} as the
328 first process.
329
330 @item
331 In the previous project, we required that you provided some specific
332 function interfaces, because we tested your project by compiling our
333 test code into it.  For this project and all later projects, this is
334 no longer necessary, because we will do all of our testing with user
335 programs.  You must make sure that the user program interface meets
336 the specifications described in the assignments, but given that
337 constraint you are free to restructure or rewrite kernel code however
338 you wish.
339 @end itemize
340
341 @node Problem 2-1 Argument Passing
342 @section Problem 2-1: Argument Passing
343
344 Currently, @func{process_execute} does not support passing arguments
345 to new processes.  UNIX and other operating systems do allow passing
346 command line arguments to a program, which accesses them via the argc,
347 argv arguments to main.  You must implement this functionality by
348 extending @func{process_execute} so that instead of simply taking a
349 program file name as its argument, it divides it into words at spaces.
350 The first word is the program name, the second word is the first
351 argument, and so on.  That is, @code{process_execute("grep foo bar")}
352 should run @command{grep} passing two arguments @code{foo} and
353 @file{bar}.  A few details:
354
355 @itemize
356 @item
357 Multiple spaces are considered the same as a single space, so that
358 @code{process_execute("grep foo bar")} would be equivalent to our
359 original example.
360
361 @item
362 You can impose a reasonable limit on the length of the command line
363 arguments.  For example, you could limit the arguments to those that
364 will fit in a single page (4 kB).
365
366 @item
367 You can parse the argument strings any way you like.  If you're lost,
368 look at @func{strtok_r}, prototyped in @file{lib/string.h} and
369 implemented with thorough comments in @file{lib/string.c}.  You can
370 find more about it by looking at the man page (run @code{man strtok_r}
371 at the prompt).
372
373 @item
374 @xref{80x86 Calling Convention}, for information on exactly how you
375 need to set up the stack.
376 @end itemize
377
378 @strong{This functionality is extremely important.}  Almost all our
379 test cases rely on being able to pass arguments, so if you don't get
380 this right, a lot of things will not appear to work correctly with our
381 tests.  If the tests fail, so do you.  Fortunately, this part
382 shouldn't be too hard.
383
384 @node Problem 2-2 System Calls
385 @section Problem 2-2: System Calls
386
387 Implement the system call handler in @file{userprog/syscall.c} to
388 properly deal with all the system calls described below.  Currently,
389 it ``handles'' system calls by terminating the process.  You will need
390 to decipher system call arguments and take the appropriate action for
391 each.
392
393 You are required to support the following system calls, whose syscall
394 numbers are defined in @file{lib/syscall-nr.h} and whose C functions
395 called by user programs are prototyped in @file{lib/user/syscall.h}:
396
397 @table @code
398 @item SYS_halt
399 @itemx void halt (void)
400 Stops Pintos by calling @func{power_off} (declared in
401 @file{threads/init.h}).  Note that this should be seldom used, since
402 then you lose some information about possible deadlock situations,
403 etc.
404
405 @item SYS_exit
406 @itemx void exit (int @var{status})
407 Terminates the current user program, returning @var{status} to the
408 kernel.  If the process's parent @func{wait}s for it, this is the status
409 that will be returned.  Conventionally, a @var{status} of 0 indicates
410 a successful exit.  Other values may be used to indicate user-defined
411 conditions (usually errors).
412
413 @item SYS_exec
414 @itemx pid_t exec (const char *@var{cmd_line})
415 Runs the executable whose name is given in @var{cmd_line}, passing any
416 given arguments, and returns the new process's program id (pid).  Must
417 return pid -1, which otherwise should not be a valid program id, if
418 there is an error loading this program.
419
420 @item SYS_wait
421 @itemx int wait (pid_t @var{pid})
422 Waits for process @var{pid} to die and returns its exit status.  If it
423 was terminated by the kernel (i.e.@: killed due to an exception),
424 returns -1.  If @var{pid} is invalid or if it was not a child of the
425 calling thread, or if @code{wait} has already been successfully
426 called for the given @var{pid}, returns -1 immediately, without
427 waiting.
428
429 You must ensure that Pintos does not terminate until the initial
430 process exits.  The supplied Pintos code tries to do this by calling
431 @func{process_wait} (in @file{userprog/process.c}) from @func{main}
432 (in @file{threads/init.c}).  We suggest that you implement
433 @func{process_wait} according to the comment at the top of the
434 function and then implement the @code{wait} system call in terms of
435 @func{process_wait}.
436
437 All of a process's resources, including its @struct{thread}, must be
438 freed whether its parent ever waits for it or not, and regardless of
439 whether the child exits before or after its parent.
440
441 Children are not inherited, that is, if @var{A} has child @var{B} and
442 @var{B} has child @var{C}, then @var{A} always returns immediately
443 should it try to wait for @var{C}, even if @var{B} is dead.
444
445 Consider all the ways a wait can occur: nested waits (@var{A} waits
446 for @var{B}, then @var{B} waits for @var{C}), multiple waits (@var{A}
447 waits for @var{B}, then @var{A} waits for @var{C}), and so on.  Does
448 your @func{wait} work if it is called on a process that has not yet
449 been scheduled for the first time?
450
451 @item SYS_create
452 @itemx bool create (const char *@var{file}, unsigned @var{initial_size})
453 Create a new file called @var{file} initially @var{initial_size} bytes
454 in size.  Returns true if successful, false otherwise.
455
456 @item SYS_remove
457 @itemx bool remove (const char *@var{file})
458 Delete the file called @var{file}.  Returns true if successful, false
459 otherwise.
460
461 @item SYS_open
462 @itemx int open (const char *@var{file})
463 Open the file called @var{file}.  Returns a nonnegative integer handle
464 called a ``file descriptor'' (fd), or -1 if the file could not be
465 opened.  All open files associated with a process should be closed
466 when the process exits or is terminated.
467
468 File descriptors numbered 0 and 1 are reserved for the console: fd 0
469 is standard input (@code{stdin}), fd 1 is standard output
470 (@code{stdout}).  These special file descriptors are valid as system
471 call arguments only as explicitly described below.
472
473 @item SYS_filesize
474 @itemx int filesize (int @var{fd})
475 Returns the size, in bytes, of the file open as @var{fd}.
476
477 @item SYS_read
478 @itemx int read (int @var{fd}, void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
479 Read @var{size} bytes from the file open as @var{fd} into
480 @var{buffer}.  Returns the number of bytes actually read (0 at end of
481 file), or -1 if the file could not be read (due to a condition other
482 than end of file).  Fd 0 reads from the keyboard using
483 @func{kbd_getc}.
484
485 @item SYS_write
486 @itemx int write (int @var{fd}, const void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
487 Write @var{size} bytes from @var{buffer} to the open file @var{fd}.
488 Returns the number of bytes actually written, or -1 if the file could
489 not be written.   
490
491 Fd 1 writes to the console.  Your code to write to the console should
492 write all of @var{buffer} in one call to @func{putbuf}, at least as
493 long as @var{size} is not bigger than a few hundred bytes.  Otherwise,
494 lines of text output by different processes may end up interleaved on
495 the console, confusing both human readers and our grading scripts.
496
497 @item SYS_seek
498 @itemx void seek (int @var{fd}, unsigned @var{position})
499 Changes the next byte to be read or written in open file @var{fd} to
500 @var{position}, expressed in bytes from the beginning of the file.
501 (Thus, a @var{position} of 0 is the file's start.)
502
503 A seek past the current end of a file is not an error.  A later read
504 obtains 0 bytes, indicating end of file.  A later write extends the
505 file, filling any unwritten gap with zeros.  (However, in Pintos files
506 have a fixed length until project 4 is complete, so writes past end of
507 file will return an error.)  These semantics are implemented in the
508 file system and do not require any special effort in system call
509 implementation.
510
511 @item SYS_tell
512 @itemx unsigned tell (int @var{fd})
513 Returns the position of the next byte to be read or written in open
514 file @var{fd}, expressed in bytes from the beginning of the file.
515
516 @item SYS_close
517 @itemx void close (int @var{fd})
518 Close file descriptor @var{fd}.
519 @end table
520
521 The file defines other syscalls.  Ignore them for now.  You will
522 implement some of them in project 3 and the rest in project 4, so be
523 sure to design your system with extensibility in mind.
524
525 To implement syscalls, you will need to provide a way of copying data
526 from the user's virtual address space into the kernel and vice versa.
527 This can be a bit tricky: what if the user provides an invalid
528 pointer, a pointer into kernel memory, or points to a block that is
529 partially in one of those regions?  You should handle these cases by
530 terminating the user process.  You will need this code before you can
531 even obtain the system call number, because the system call number is
532 on the user's stack in the user's virtual address space.  We recommend
533 writing and testing this code before implementing any other system
534 call functionality.
535
536 @anchor{Synchronizing File Access}
537 You must make sure that system calls are properly synchronized so that
538 any number of user processes can make them at once.  In particular, it
539 is not safe to call into the filesystem code provided in the
540 @file{filesys} directory from multiple threads at once.  For now, we
541 recommend adding a single lock that controls access to the filesystem
542 code.  You should acquire this lock before calling any functions in
543 the @file{filesys} directory, and release it afterward.  Don't forget
544 that @func{process_execute} also accesses files.  @strong{For now, we
545 recommend against modifying code in the @file{filesys} directory.}
546
547 We have provided you a user-level function for each system call in
548 @file{lib/user/syscall.c}.  These provide a way for user processes to
549 invoke each system call from a C program.  Each uses a little inline
550 assembly code to invoke the system call and (if appropriate) returns the
551 system call's return value.
552
553 When you're done with this part, and forevermore, Pintos should be
554 bulletproof.  Nothing that a user program can do should ever cause the
555 OS to crash, halt, assert fail, or otherwise stop running.  It is
556 important to emphasize this point: our tests will try to break your
557 system calls in many, many ways.  You need to think of all the corner
558 cases and handle them.  The sole way a user program should be able to
559 cause the OS to halt is by invoking the @code{halt} system call.
560
561 If a system call is passed an invalid argument, acceptable options
562 include returning an error value (for those calls that return a
563 value), returning an undefined value, or terminating the process.
564
565 @xref{System Calls}, for more information on how syscalls work.
566
567 @node User Programs FAQ
568 @section FAQ
569
570 @enumerate 1
571 @item
572 @b{Do we need a working project 1 to implement project 2?}
573
574 No.
575
576 @item
577 @b{@samp{pintos put} always panics.}
578
579 Here are the most common causes:
580
581 @itemize @bullet
582 @item
583 The disk hasn't yet been formatted (with @samp{pintos run -f}).
584
585 @item
586 The file name specified is too long.  The file system limits file names
587 to 14 characters.  If you're using a command like @samp{pintos put
588 ../../tests/userprog/echo}, that overflows the limit.  Use
589 @samp{pintos put ../../tests/userprog/echo echo} to put the file under
590 the name @file{echo} instead.
591
592 @item
593 The file system is full.
594
595 @item
596 The file system already contains 10 files.  (There's a 10-file limit for
597 the base Pintos file system.)
598
599 @item
600 The file system is so fragmented that there's not enough contiguous
601 space for your file.
602 @end itemize
603
604 @item
605 @b{All my user programs die with page faults.}
606
607 This will generally happen if you haven't implemented problem 2-1
608 yet.  The reason is that the basic C library for user programs tries
609 to read @var{argc} and @var{argv} off the stack.  Because the stack
610 isn't properly set up yet, this causes a page fault.
611
612 @item
613 @b{I implemented 2-1 and now all my user programs die with
614 @samp{system call!}.}
615
616 Every reasonable program tries to make at least one system call
617 (@func{exit}) and most programs make more than that.  Notably,
618 @func{printf} invokes the @code{write} system call.  The default
619 system call handler just prints @samp{system call!} and terminates the
620 program.  You'll have to implement 2-2 before you see anything more
621 interesting.  Until then, you can use @func{hex_dump} to convince
622 yourself that 2-1 is implemented correctly (@pxref{Argument Passing to
623 main}).
624
625 @item
626 @b{Is there a way I can disassemble user programs?}
627
628 The @command{i386-elf-objdump} utility can disassemble entire user
629 programs or object files.  Invoke it as @code{i386-elf-objdump -d
630 @var{file}}.  You can also use @code{i386-elf-gdb}'s
631 @command{disassemble} command to disassemble individual functions in
632 object files compiled with debug information.
633
634 @item
635 @b{Why can't I use many C include files in my Pintos programs?}
636
637 The C library we provide is very limited.  It does not include many of
638 the features that are expected of a real operating system's C library.
639 The C library must be built specifically for the operating system (and
640 architecture), since it must make system calls for I/O and memory
641 allocation.  (Not all functions do, of course, but usually the library
642 is compiled as a unit.)
643
644 @item
645 @b{Can I use lib@var{foo} in my Pintos programs?}
646
647 The chances are good that lib@var{foo} uses parts of the C library
648 that Pintos doesn't implement.  It will probably take at least some
649 porting effort to make it work under Pintos.  Notably, the Pintos
650 userland C library does not have a @func{malloc} implementation.
651
652 @item
653 @b{How do I compile new user programs?}
654
655 You need to modify @file{tests/Makefile}.
656
657 @item
658 @b{What's the difference between @code{tid_t} and @code{pid_t}?}
659
660 A @code{tid_t} identifies a kernel thread, which may have a user
661 process running in it (if created with @func{process_execute}) or not
662 (if created with @func{thread_create}).  It is a data type used only
663 in the kernel.
664
665 A @code{pid_t} identifies a user process.  It is used by user
666 processes and the kernel in the @code{exec} and @code{wait} system
667 calls.
668
669 You can choose whatever suitable types you like for @code{tid_t} and
670 @code{pid_t}.  By default, they're both @code{int}.  You can make them
671 a one-to-one mapping, so that the same values in both identify the
672 same process, or you can use a more complex mapping.  It's up to you.
673
674 @item
675 @b{I can't seem to figure out how to read from and write to user
676 memory. What should I do?}
677
678 The kernel must treat user memory delicately.  As part of a system
679 call, the user can pass to the kernel a null pointer, a pointer to
680 unmapped virtual memory, or a pointer to kernel virtual address space
681 (above @code{PHYS_BASE}).  All of these types of invalid pointers must
682 be rejected without harm to the kernel or other running processes.  At
683 your option, the kernel may handle invalid pointers by terminating the
684 process or returning from the system call with an error.
685
686 There are at least two reasonable ways to do this correctly.  The
687 first method is to ``verify then access'':@footnote{These terms are
688 made up for this document.  They are not standard terminology.} verify
689 the validity of a user-provided pointer, then dereference it.  If you
690 choose this route, you'll want to look at the functions in
691 @file{userprog/pagedir.c} and in @file{threads/mmu.h}.  This is the
692 simplest way to handle user memory access.
693
694 The second method is to ``assume and react'': directly dereference
695 user pointers, after checking that they point below @code{PHYS_BASE}.
696 Invalid user pointers will then cause a ``page fault'' that you can
697 handle by modifying the code for @func{page_fault} in
698 @file{userprog/exception.cc}.  This technique is normally faster
699 because it takes advantage of the processor's MMU, so it tends to be
700 used in real kernels (including Linux).
701
702 In either case, you need to make sure not to ``leak'' resources.  For
703 example, suppose that your system call has acquired a lock or
704 allocated a page of memory.  If you encounter an invalid user pointer
705 afterward, you must still be sure to release the lock or free the page
706 of memory.  If you choose to ``verify then access,'' then this should
707 be straightforward, but for ``assume and react'' it's more difficult,
708 because there's no way to return an error code from a memory access.
709 Therefore, for those who want to try the latter technique, we'll
710 provide a little bit of helpful code:
711
712 @verbatim
713 /* Tries to copy a byte from user address USRC to kernel address DST.
714    Returns true if successful, false if USRC is invalid. */
715 static inline bool get_user (uint8_t *dst, const uint8_t *usrc) {
716   int eax;
717   asm ("mov %%eax, offset 1f; mov %%al, %2; mov %0, %%al; 1:"
718        : "=m" (*dst), "=&a" (eax) : "m" (*usrc));
719   return eax != 0;
720 }
721
722 /* Tries write BYTE to user address UDST.
723    Returns true if successful, false if UDST is invalid. */
724 static inline bool put_user (uint8_t *udst, uint8_t byte) {
725   int eax;
726   asm ("mov %%eax, offset 1f; mov %0, %b2; 1:"
727        : "=m" (*udst), "=&a" (eax) : "r" (byte));
728   return eax != 0;
729 }
730 @end verbatim
731
732 Each of these functions assumes that the user address has already been
733 verified to be below @code{PHYS_BASE}.  They also assume that you've
734 modified @func{page_fault} so that a page fault in the kernel causes
735 @code{eax} to be set to 0 and its former value copied into @code{eip}.
736
737 @item
738 @b{I'm also confused about reading from and writing to the stack. Can
739 you help?}
740
741 @itemize @bullet
742 @item
743 Only non-@samp{char} values will have issues when writing them to
744 memory.  If a digit is in a string, it is considered a character.
745 However, the value of @code{argc} would be a non-char.
746
747 @item
748 You will need to write characters and non-characters into main memory.
749
750 @item
751 When you add items to the stack, you will be decrementing the stack
752 pointer.  You'll need to decrement the stack pointer before writing to
753 the location.
754
755 @item
756 Each character is 1 byte.
757 @end itemize
758
759 @item
760 @b{Why doesn't keyboard input work with @samp{pintos -v}?}
761
762 Serial input isn't implemented.  Don't use @samp{pintos -v} if you
763 want to use the shell or otherwise provide keyboard input.
764 @end enumerate
765
766 @menu
767 * Problem 2-1 Argument Passing FAQ::  
768 * Problem 2-2 System Calls FAQ::  
769 @end menu
770
771 @node Problem 2-1 Argument Passing FAQ
772 @subsection Problem 2-1: Argument Passing FAQ
773
774 @enumerate 1
775 @item
776 @b{Why is the top of the stack at @t{0xc0000000}?  Isn't that off the
777 top of user virtual memory?  Shouldn't it be @t{0xbfffffff}?}
778
779 When the processor pushes data on the stack, it decrements the stack
780 pointer first.  Thus, the first (4-byte) value pushed on the stack
781 will be at address @t{0xbffffffc}.
782
783 Also, the stack should always be aligned to a 4-byte boundary, but
784 @t{0xbfffffff} isn't.
785
786 @item
787 @b{Is @code{PHYS_BASE} fixed?}
788
789 No.  You should be able to support @code{PHYS_BASE} values that are
790 any multiple of @t{0x10000000} from @t{0x80000000} to @t{0xc0000000},
791 simply via recompilation.
792 @end enumerate
793
794 @node Problem 2-2 System Calls FAQ
795 @subsection Problem 2-2: System Calls FAQ
796
797 @enumerate 1
798 @item
799 @b{Can I just cast a pointer to a @struct{file} object to get a
800 unique file descriptor?  Can I just cast a @code{struct thread *} to a
801 @code{pid_t}?  It's so much simpler that way!}
802
803 This is a design decision you will have to make for yourself.
804 However, note that most operating systems do distinguish between file
805 descriptors (or pids) and the addresses of their kernel data
806 structures.  You might want to give some thought as to why they do so
807 before committing yourself.
808
809 @item
810 @b{Can I set a maximum number of open files per process?}
811
812 From a design standpoint, it would be better not to set an arbitrary
813 maximum.  That said, if your design calls for it, you may impose a
814 limit of 128 open files per process (as the Solaris machines here do).
815
816 @item
817 @anchor{Removing an Open File}
818 @b{What happens when two (or more) processes have a file open and one of
819 them removes it?}
820
821 You should copy the standard Unix semantics for files.  That is, when
822 a file is removed an process which has a file descriptor for that file
823 may continue to do operations on that descriptor.  This means that
824 they can read and write from the file.  The file will not have a name,
825 and no other processes will be able to open it, but it will continue
826 to exist until all file descriptors referring to the file are closed
827 or the machine shuts down.
828
829 @item
830 @b{I've discovered that some of my user programs need more than one 4
831 kB page of stack space.  What should I do?}
832
833 You may modify the stack setup code to allocate more than one page of
834 stack space for each process.
835 @end enumerate
836
837 @node 80x86 Calling Convention
838 @section 80@var{x}86 Calling Convention
839
840 What follows is a quick and dirty discussion of the 80@var{x}86
841 calling convention.  Some of the basics should be familiar from CS
842 107, and if you've already taken CS 143 or EE 182, then you should
843 have seen even more of it.  I've omitted some of the complexity, since
844 this isn't a class in how function calls work, so don't expect this to
845 be exactly correct in full, gory detail.  If you do want all the
846 details, you can refer to @bibref{SysV-i386}.
847
848 Whenever a function call happens, you need to put the arguments on the
849 call stack for that function, before the code for that function
850 executes, so that the callee has access to those values.  The caller
851 has to be responsible for this (be sure you understand why).
852 Therefore, when you compile a program, the assembly code emitted will
853 have in it, before every function call, a bunch of instructions that
854 prepares for the call in whatever manner is conventional for the
855 machine you're working on.  This includes saving registers as needed,
856 putting stuff on the stack, saving the location to return to somewhere
857 (so that when the callee finishes, it knows where the caller code is),
858 and some other bookkeeping stuff.  Then you do the jump to the
859 callee's code, and it goes along, assuming that the stack and
860 registers are prepared in the appropriate manner.  When the callee is
861 done, it looks at the return location as saved earlier, and jumps back
862 to that location.  The caller may then have to do some cleanup:
863 clearing arguments and the return value off the stack, restoring
864 registers that were saved before the call, and so on.
865
866 If you think about it, some of these things should remind you of
867 context switching.
868
869 As an aside, in general, function calls are not cheap.  You have to do
870 a bunch of memory writes to prepare the stack, you need to save and
871 restore registers before and after a function call, you need to write
872 the stack pointer, you have a couple of jumps which probably wrecks
873 some of your caches.  This is why inlining code can be much faster.
874
875 @menu
876 * Argument Passing to main::    
877 @end menu
878
879 @node Argument Passing to main
880 @subsection Argument Passing to @code{main()}
881
882 In @func{main}'s case, there is no caller to prepare the stack
883 before it runs.  Therefore, the kernel needs to do it.  Fortunately,
884 since there's no caller, there are no registers to save, no return
885 address to deal with, etc.  The only difficult detail to take care of,
886 after loading the code, is putting the arguments to @func{main} on
887 the stack.
888
889 (The above is a small lie: most compilers will emit code where main
890 isn't strictly speaking the first function.  This isn't an important
891 detail.  If you want to look into it more, try disassembling a program
892 and looking around a bit.  However, you can just act as if
893 @func{main} is the very first function called.)
894
895 Pintos is written for the 80@var{x}86 architecture.  Therefore, we
896 need to adhere to the 80@var{x}86 calling convention.  Basically, you
897 put all the arguments on the stack and move the stack pointer
898 appropriately.  You also need to insert space for the function's
899 ``return address'': even though the initial function doesn't really
900 have a caller, its stack frame must have the same layout as any other
901 function's.  The program will assume that the stack has been laid out
902 this way when it begins running.
903
904 So, what are the arguments to @func{main}? Just two: an @samp{int}
905 (@code{argc}) and a @samp{char **} (@code{argv}).  @code{argv} is an
906 array of strings, and @code{argc} is the number of strings in that
907 array.  However, the hard part isn't these two things.  The hard part
908 is getting all the individual strings in the right place.  As we go
909 through the procedure, let us consider the following example command:
910 @samp{/bin/ls -l foo bar}.
911
912 The first thing to do is to break the command line into individual
913 strings: @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}.  These
914 constitute the arguments of the command, including the program name
915 itself (which belongs in @code{argv[0]}).
916
917 These individual, null-terminated strings should be placed on the user
918 stack.  They may be placed in any order, as you'll see shortly,
919 without affecting how main works, but for simplicity let's assume they
920 are in reverse order (keeping in mind that the stack grows downward on
921 an 80@var{x}86 machine).  As we copy the strings onto the stack, we
922 record their (virtual) stack addresses.  These addresses will become
923 important when we write the argument vector (two paragraphs down).
924
925 After we push all of the strings onto the stack, we adjust the stack
926 pointer so that it is word-aligned: that is, we move it down to the
927 next 4-byte boundary.  This is required because we will next be
928 placing several words of data on the stack, and they must be aligned
929 to be read correctly.  In our example, as you'll see below,
930 the strings start at address @t{0xffed}.  One word below that would be
931 at @t{0xffe9}, so we could in theory put the next word on the stack
932 there.  However, since the stack pointer should always be
933 word-aligned, we instead leave the stack pointer at @t{0xffe8}.
934
935 Once we align the stack pointer, we then push the elements of the
936 argument vector, that is, a null pointer, then the addresses of the
937 strings @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}) onto
938 the stack.  This must be done in reverse order, such that
939 @code{argv[0]} is at the lowest virtual address, again because the
940 stack is growing downward.  (The null pointer pushed first is because
941 @code{argv[argc]} must be a null pointer.)  This is because we are now
942 writing the actual array of strings; if we write them in the wrong
943 order, then the strings will be in the wrong order in the array.  This
944 is also why, strictly speaking, it doesn't matter what order the
945 strings themselves are placed on the stack: as long as the pointers
946 are in the right order, the strings themselves can really be anywhere.
947 After we finish, we note the stack address of the first element of the
948 argument vector, which is @code{argv} itself.
949
950 Then we push @code{argv} (that is, the address of the first element of
951 the @code{argv} array) onto the stack, along with the length of the
952 argument vector (@code{argc}, 4 in this example).  This must also be
953 done in this order, since @code{argc} is the first argument to
954 @func{main} and therefore is on first (smaller address) on the
955 stack.  Finally, we push a fake ``return address'' and leave the stack
956 pointer to point to its location.
957
958 All this may sound very confusing, so here's a picture which will
959 hopefully clarify what's going on. This represents the state of the
960 stack and the relevant registers right before the beginning of the
961 user program (assuming for this example that the stack bottom is
962 @t{0xc0000000}):
963
964 @html
965 <CENTER>
966 @end html
967 @multitable {@t{0xbfffffff}} {``return address''} {@t{/bin/ls\0}}
968 @item Address @tab Name @tab Data
969 @item @t{0xbffffffc} @tab @code{*argv[3]} @tab @samp{bar\0}
970 @item @t{0xbffffff8} @tab @code{*argv[2]} @tab @samp{foo\0}
971 @item @t{0xbffffff5} @tab @code{*argv[1]} @tab @samp{-l\0}
972 @item @t{0xbfffffed} @tab @code{*argv[0]} @tab @samp{/bin/ls\0}
973 @item @t{0xbfffffec} @tab word-align @tab @samp{\0}
974 @item @t{0xbfffffe8} @tab @code{argv[4]} @tab @t{0}
975 @item @t{0xbfffffe4} @tab @code{argv[3]} @tab @t{0xbffffffc}
976 @item @t{0xbfffffe0} @tab @code{argv[2]} @tab @t{0xbffffff8}
977 @item @t{0xbfffffdc} @tab @code{argv[1]} @tab @t{0xbffffff5}
978 @item @t{0xbfffffd8} @tab @code{argv[0]} @tab @t{0xbfffffed}
979 @item @t{0xbfffffd4} @tab @code{argv} @tab @t{0xbfffffd8}
980 @item @t{0xbfffffd0} @tab @code{argc} @tab 4
981 @item @t{0xbfffffcc} @tab ``return address'' @tab 0
982 @end multitable
983 @html
984 </CENTER>
985 @end html
986
987 In this example, the stack pointer would be initialized to
988 @t{0xbfffffcc}.
989
990 As shown above, your code should start the stack at the very top of
991 the user virtual address space, in the page just below virtual address
992 @code{PHYS_BASE} (defined in @file{threads/mmu.h}).
993
994 You may find the non-standard @func{hex_dump} function, declared in
995 @file{<stdio.h>}, useful for debugging your argument passing code.
996 Here's what it would show in the above example, given that
997 @code{PHYS_BASE} is @t{0xc0000000}:
998
999 @verbatim
1000 bfffffc0                                      00 00 00 00 |            ....|
1001 bfffffd0  04 00 00 00 d8 ff ff bf-ed ff ff bf f5 ff ff bf |................|
1002 bfffffe0  f8 ff ff bf fc ff ff bf-00 00 00 00 00 2f 62 69 |............./bi|
1003 bffffff0  6e 2f 6c 73 00 2d 6c 00-66 6f 6f 00 62 61 72 00 |n/ls.-l.foo.bar.|
1004 @end verbatim
1005
1006 @node System Calls
1007 @section System Calls
1008
1009 We have already been dealing with one way that the operating system
1010 can regain control from a user program: interrupts from timers and I/O
1011 devices.  These are ``external'' interrupts, because they are caused
1012 by entities outside the CPU.
1013
1014 The operating system is also called to deal with software exceptions,
1015 which are events generated in response to the code.  These can be
1016 errors such as a page fault or division by zero.  However, exceptions
1017 are also the means by which a user program can request services
1018 (``system calls'') from the operating system.
1019
1020 In the 80@var{x}86 architecture, the @samp{int} instruction is the
1021 most commonly used means for invoking system calls.  This instruction
1022 is handled in the same way as other software exceptions.  In Pintos,
1023 user programs invoke @samp{int $0x30} to make a system call.  The
1024 system call number and any additional arguments are expected to be
1025 pushed on the stack in the normal fashion before invoking the
1026 interrupt.
1027
1028 The normal calling convention pushes function arguments on the stack
1029 from right to left and the stack grows downward.  Thus, when the
1030 system call handler @func{syscall_handler} gets control, the system
1031 call number is in the 32-bit word at the caller's stack pointer, the
1032 first argument is in the 32-bit word at the next higher address, and
1033 so on.  The caller's stack pointer is accessible to
1034 @func{syscall_handler} as the @samp{esp} member of the @code{struct
1035 intr_frame} passed to it.
1036
1037 Here's an example stack frame for calling a system call numbered 10
1038 with three arguments passed as 1, 2, and 3.  The stack addresses are
1039 arbitrary:
1040
1041 @html
1042 <CENTER>
1043 @end html
1044 @multitable {@t{0xbffffe7c}} {Value}
1045 @item Address @tab Value
1046 @item @t{0xbffffe7c} @tab 3
1047 @item @t{0xbffffe78} @tab 2
1048 @item @t{0xbffffe74} @tab 1
1049 @item @t{0xbffffe70} @tab 10
1050 @end multitable
1051 @html
1052 </CENTER>
1053 @end html
1054
1055 In this example, the caller's stack pointer would be at
1056 @t{0xbffffe70}.
1057
1058 The 80@var{x}86 convention for function return values is to place them
1059 in the @samp{EAX} register.  System calls that return a value can do
1060 so by modifying the @samp{eax} member of @struct{intr_frame}.
1061
1062 You should try to avoid writing large amounts of repetitive code for
1063 implementing system calls.  Each system call argument, whether an
1064 integer or a pointer, takes up 4 bytes on the stack.  You should be able
1065 to take advantage of this to avoid writing much near-identical code for
1066 retrieving each system call's arguments from the stack.