Revert Intel-style assembly back to AT&T-style.
[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 becoming familiar with its
5 infrastructure and thread package, it's time to start working on the
6 parts of the system that allow running user programs.
7 The base code already supports loading and
8 running user programs, but no I/O or interactivity
9 is possible.  In this project, you will enable programs to interact with
10 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.
16
17 You can build project 2 on top of your project 1 submission or you can
18 start with a fresh copy.  No code from project 1 is required for this
19 assignment.  The ``alarm clock'' functionality may be useful in later
20 projects, but it is not strictly required.
21
22 @menu
23 * Project 2 Background::        
24 * Project 2 Requirements::      
25 * Project 2 FAQ::               
26 * 80x86 Calling Convention::    
27 @end menu
28
29 @node Project 2 Background
30 @section Background
31
32 Up to now, all of the code you have run under Pintos has been part
33 of the operating system kernel.  This means, for example, that all the
34 test code from the last assignment ran as part of the kernel, with
35 full access to privileged parts of the system.  Once we start running
36 user programs on top of the operating system, this is no longer true.
37 This project deals with consequences of the change.
38
39 We allow more than one user program to run at a time.  User
40 programs are written and compiled to work under the illusion that they
41 have the entire machine.  This means that when you load and
42 run multiple processes at a time, you must manage memory, scheduling,
43 and other state correctly to maintain this illusion.
44
45 In the previous project, we compiled our test code directly into your
46 kernel, so we had to require certain specific function interfaces within
47 the kernel.  From now on, we will test your operating system by running
48 user programs.  This gives you much greater freedom.  You must make sure
49 that the user program interface meets the specifications described here,
50 but given that constraint you are free to restructure or rewrite kernel
51 code however you wish.
52
53 @menu
54 * Project 2 Source Files::      
55 * Using the File System::       
56 * How User Programs Work::      
57 * Virtual Memory Layout::       
58 * Accessing User Memory::       
59 @end menu
60
61 @node Project 2 Source Files
62 @subsection Source Files
63
64 The easiest way to get an overview of the programming you will be
65 doing is to simply go over each part you'll be working with.  In
66 @file{userprog}, you'll find a small number of files, but here is
67 where the bulk of your work will be:
68
69 @table @file
70 @item process.c
71 @itemx process.h
72 Loads ELF binaries and starts processes.
73
74 @item pagedir.c
75 @itemx pagedir.h
76 A simple manager for 80@var{x}86 page directories and page tables.
77 Although you probably won't want to modify this code for this project,
78 you may want to call some of its functions.
79
80 @item syscall.c
81 @itemx syscall.h
82 Whenever a user process wants to access some kernel functionality, it
83 invokes a system call.  This is a skeleton system call
84 handler.  Currently, it just prints a message and terminates the user
85 process.  In part 2 of this project you will add code to do everything
86 else needed by system calls.
87
88 @item exception.c
89 @itemx exception.h
90 When a user process performs a privileged or prohibited operation, it
91 traps into the kernel as an ``exception'' or ``fault.''@footnote{We
92 will treat these terms as synonymous.  There is no standard
93 distinction between them, although Intel processor manuals define
94 them slightly differently on 80@var{x}86.}  These files handle
95 exceptions.  Currently all exceptions simply print a message and
96 terminate the process.  Some, but not all, solutions to project 2
97 require modifying @func{page_fault} in this file.
98
99 @item gdt.c
100 @itemx gdt.h
101 The 80@var{x}86 is a segmented architecture.  The Global Descriptor
102 Table (GDT) is a table that describes the segments in use.  These
103 files set up the GDT.  @strong{You should not need to modify these
104 files for any of the projects.}  You can read the code if
105 you're interested in how the GDT works.
106
107 @item tss.c
108 @itemx tss.h
109 The Task-State Segment (TSS) is used for 80@var{x}86 architectural
110 task switching.  Pintos uses the TSS only for switching stacks when a
111 user process enters an interrupt handler, as does Linux.  @strong{You
112 should not need to modify these files for any of the projects.}
113 You can read the code if you're interested in how the TSS
114 works.
115 @end table
116
117 @node Using the File System
118 @subsection Using the File System
119
120 You will need to use some file system code for this project.  First,
121 user programs are loaded from the file system.  Second, many of the
122 system calls you must implement deal with the file system.  However,
123 the focus of this project is not on the file system code, so we have
124 provided a simple file system in the @file{filesys} directory.  You
125 will want to look over the @file{filesys.h} and @file{file.h}
126 interfaces to understand how to use the file system, and especially
127 its many limitations.  @strong{You should not modify the file system
128 code for this project.}  Proper use of the file system routines now
129 will make life much easier for project 4, when you improve the file
130 system implementation.  Until then, you will have to put up with the
131 following limitations:
132
133 @itemize @bullet
134 @item
135 No synchronization.  Concurrent accesses will interfere with one
136 another.  You should use a global lock to ensure that only one process at a
137 time is executing file system code.
138
139 @item
140 File size is fixed at creation time.  The root directory is
141 represented as a file, so the number of files that may be created is also
142 limited.
143
144 @item
145 File data is allocated as a single extent, that is, data in a single
146 file must occupy a contiguous range of sectors on disk.  External
147 fragmentation can therefore become a serious problem as a file system is
148 used over time.
149
150 @item
151 No subdirectories.
152
153 @item
154 File names are limited to 14 characters.
155
156 @item
157 A system crash mid-operation may corrupt the disk in a way
158 that cannot be repaired automatically.  There is no file system repair
159 tool anyway.
160 @end itemize
161
162 One important feature is included:
163
164 @itemize @bullet
165 @item
166 Unix-like semantics for @func{filesys_remove} are implemented.
167 That is, if a file is open when it is removed, its blocks
168 are not deallocated and it may still be accessed by any
169 threads that have it open until the last one closes it.  @xref{Removing
170 an Open File}, for more information.
171 @end itemize
172
173 You need to be able to create simulated disks.  The
174 @command{pintos-mkdisk} program provides this functionality.  From the
175 @file{userprog/build} directory, execute @code{pintos-mkdisk fs.dsk 2}.
176 This command creates a 2 MB simulated disk named @file{fs.dsk}.  Then
177 format the disk by passing @option{-f -q} on the kernel's command
178 line: @code{pintos -f -q}.  The @option{-f} option causes the disk to be
179 formatted, and @option{-q} causes Pintos to exit as soon as the format
180 is done.
181
182 You'll need a way to copy files in and out of the simulated file system.
183 The @code{pintos} @option{-p} (``put'') and @option{-g} (``get'')
184 options do this.  To copy @file{@var{file}} into the
185 Pintos file system, use the command @file{pintos -p @var{file} -- -q}.
186 (The @samp{--} is needed because @option{-p} is for the @command{pintos}
187 script, not for the simulated kernel.)  To copy it to the Pintos file
188 system under the name @file{@var{newname}}, add @option{-a
189 @var{newname}}: @file{pintos -p @var{file} -a @var{newname} -- -q}.  The
190 commands for copying files out of a VM are similar, but substitute
191 @option{-g} for @option{-p}.
192
193 Incidentally, these commands work by passing special commands
194 @command{put} and @command{get} on the kernel's command line and copying
195 to and from a special simulated ``scratch'' disk.  If you're very
196 curious, you can look at the @command{pintos} program as well as
197 @file{filesys/fsutil.c} to learn the implementation details.
198
199 Here's a summary of how to create and format a disk, copy the
200 @command{echo} program into the new disk, and then run @command{echo},
201 passing argument @code{x}.  (Argument passing won't work until
202 you've implemented it.)  It assumes
203 that you've already built the
204 examples in @file{examples} and that the current directory is
205 @file{userprog/build}:
206
207 @example
208 pintos-mkdisk fs.dsk 2
209 pintos -f -q
210 pintos -p ../../examples/echo -a echo -- -q
211 pintos -q run 'echo x'
212 @end example
213
214 The three final steps can actually be combined into a single command:
215
216 @example
217 pintos-mkdisk fs.dsk 2
218 pintos -p ../../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
219 @end example
220
221 If you don't want to keep the file system disk around for later use or
222 inspection, you can even combine all four steps into a single command.
223 The @code{--fs-disk=2} option creates a temporary disk just for the
224 duration of the @command{pintos} run.  The Pintos automatic test suite
225 makes extensive use of this syntax:
226
227 @example
228 pintos --fs-disk=2 -p ../../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
229 @end example
230
231 You can delete a file from the Pintos file system using the @code{rm
232 @var{file}} kernel action, e.g.@: @code{pintos -q rm @var{file}}.  Also,
233 @command{ls} lists the files in the file system and @code{cat
234 @var{file}} prints a file's contents to the display.
235
236 @node How User Programs Work
237 @subsection How User Programs Work
238
239 Pintos can run normal C programs.  In fact, Pintos can run any program
240 you want, as long as it's compiled into the proper file format and uses
241 only the system calls you implement.  Notably, @func{malloc} cannot be
242 implemented because none of the system calls required for this project
243 allow for memory allocation.  Pintos also can't run programs that use
244 floating point operations, since the kernel doesn't save and restore the
245 processor's floating-point unit when switching threads.
246
247 The @file{src/examples} directory contains a few sample user
248 programs.  The @file{Makefile} in this directory
249 compiles the provided examples, and you can edit it
250 compile your own programs as well.
251
252 Pintos loads @dfn{ELF} executables.  ELF is a file format used by Linux,
253 Solaris, and many other operating systems for object files,
254 shared libraries, and executables.  You can actually use any compiler
255 and linker that output 80@var{x}86 ELF executables to produce programs
256 for Pintos.  (We've provided compilers and linkers that should do just
257 fine.)
258
259 You should realize immediately that, until you copy a
260 test program to the emulated disk, Pintos will be unable to do
261 useful work.  You won't be able to do
262 interesting things until you copy a variety of programs to the disk.
263 You might want to create a clean reference disk and copy that
264 over whenever you trash your @file{fs.dsk} beyond a useful state,
265 which may happen occasionally while debugging.
266
267 @node Virtual Memory Layout
268 @subsection Virtual Memory Layout
269
270 Virtual memory in Pintos is divided into two regions: user virtual
271 memory and kernel virtual memory.  User virtual memory ranges from
272 virtual address 0 up to @code{PHYS_BASE}, which is defined in
273 @file{threads/mmu.h} and defaults to @t{0xc0000000} (3 GB).  Kernel
274 virtual memory occupies the rest of the virtual address space, from
275 @code{PHYS_BASE} up to 4 GB.
276
277 User virtual memory is per-process.
278 When the kernel switches from one process to another, it
279 also switches user virtual address spaces by changing the processor's
280 page directory base register (see @func{pagedir_activate} in
281 @file{userprog/pagedir.c}).  @struct{thread} contains a pointer to a
282 process's page directory.
283
284 Kernel virtual memory is global.  It is always mapped the same way,
285 regardless of what user process or kernel thread is running.  In
286 Pintos, kernel virtual memory is mapped one-to-one to physical
287 memory, starting at @code{PHYS_BASE}.  That is, virtual address
288 @code{PHYS_ADDR} accesses physical
289 address 0, virtual address @code{PHYS_ADDR} + @t{0x1234} access
290 physical address @t{0x1234}, and so on up to the size of the machine's
291 physical memory.
292
293 A user program can only access its own user virtual memory.  An attempt to
294 access kernel virtual memory causes a page fault, handled by
295 @func{page_fault} in @file{userprog/exception.c}, and the process
296 will be terminated.  Kernel threads can access both kernel virtual
297 memory and, if a user process is running, the user virtual memory of
298 the running process.  However, even in the kernel, an attempt to
299 access memory at a user virtual address that doesn't have a page
300 mapped into it will cause a page fault.
301
302 You must handle memory fragmentation gracefully, that is, a process that
303 needs @var{N} pages of user virtual memory must not require those pages
304 to be contiguous in kernel virtual memory.
305
306 @menu
307 * Typical Memory Layout::       
308 @end menu
309
310 @node Typical Memory Layout
311 @subsubsection Typical Memory Layout
312
313 Conceptually, each process is
314 free to lay out its own user virtual memory however it
315 chooses.  In practice, user virtual memory is laid out like this:
316
317 @html
318 <CENTER>
319 @end html
320 @example
321 @group
322    PHYS_BASE +----------------------------------+
323              |            user stack            |
324              |                 |                |
325              |                 |                |
326              |                 V                |
327              |          grows downward          |
328              |                                  |
329              |                                  |
330              |                                  |
331              |                                  |
332              |           grows upward           |
333              |                 ^                |
334              |                 |                |
335              |                 |                |
336              +----------------------------------+
337              | uninitialized data segment (BSS) |
338              +----------------------------------+
339              |     initialized data segment     |
340              +----------------------------------+
341              |           code segment           |
342   0x08048000 +----------------------------------+
343              |                                  |
344              |                                  |
345              |                                  |
346              |                                  |
347              |                                  |
348            0 +----------------------------------+
349 @end group
350 @end example
351 @html
352 </CENTER>
353 @end html
354
355 In this project, the user stack is fixed in size, but in project 3 it
356 will be allowed to grow.  Traditionally, the size of the uninitialized
357 data segment can be adjusted with a system call, but you will not have
358 to implement this.
359
360 The code segment in Pintos starts at user virtual address
361 @t{0x08084000}, approximately 128 MB from the bottom of the address
362 space.  This value is specified in @bibref{SysV-i386} and has no deep
363 significance.
364
365 The linker sets the layout of a user program in memory, as directed by a
366 ``linker script'' that tells it the names and locations of the various
367 program segments.  You can learn more about linker scripts by reading
368 the ``Scripts'' chapter in the linker manual, accessible via @samp{info
369 ld}.
370
371 To view the layout of a particular executable, run @command{objdump}
372 (80@var{x}86) or @command{i386-elf-objdump} (SPARC) with the @option{-p}
373 option.
374
375 @node Accessing User Memory
376 @subsection Accessing User Memory
377
378 As part of a system
379 call, the kernel must often access memory through pointers provided by a user
380 program.  The kernel must be very careful about doing so, because
381 the user can pass a null pointer, a pointer to
382 unmapped virtual memory, or a pointer to kernel virtual address space
383 (above @code{PHYS_BASE}).  All of these types of invalid pointers must
384 be rejected without harm to the kernel or other running processes, by
385 terminating the offending process and freeing its resources.
386
387 There are at least two reasonable ways to do this correctly.  The
388 first method is to verify
389 the validity of a user-provided pointer, then dereference it.  If you
390 choose this route, you'll want to look at the functions in
391 @file{userprog/pagedir.c} and in @file{threads/mmu.h}.  This is the
392 simplest way to handle user memory access.
393
394 The second method is to check only that a user
395 pointer points below @code{PHYS_BASE}, then dereference it.
396 An invalid user pointer will cause a ``page fault'' that you can
397 handle by modifying the code for @func{page_fault} in
398 @file{userprog/exception.cc}.  This technique is normally faster
399 because it takes advantage of the processor's MMU, so it tends to be
400 used in real kernels (including Linux).
401
402 In either case, you need to make sure not to ``leak'' resources.  For
403 example, suppose that your system call has acquired a lock or
404 allocated a page of memory.  If you encounter an invalid user pointer
405 afterward, you must still be sure to release the lock or free the page
406 of memory.  If you choose to verify user pointers before dereferencing
407 them, this should be straightforward.  It's more difficult to handle
408 if an invalid pointer causes a page fault,
409 because there's no way to return an error code from a memory access.
410 Therefore, for those who want to try the latter technique, we'll
411 provide a little bit of helpful code:
412
413 @verbatim
414 /* Tries to copy a byte from user address USRC to kernel address KDST.
415    Returns true if successful, false if USRC is invalid. */
416 static inline bool get_user (uint8_t *kdst, const uint8_t *usrc) {
417   int eax;
418   asm ("movl $1f, %%eax; movb %2, %%al; movb %%al, %0; 1:"
419        : "=m" (*kdst), "=&a" (eax) : "m" (*usrc));
420   return eax != 0;
421 }
422
423 /* Tries to write BYTE to user address UDST.
424    Returns true if successful, false if UDST is invalid. */
425 static inline bool put_user (uint8_t *udst, uint8_t byte) {
426   int eax;
427   asm ("movl $1f, %%eax; movb %b2, %0; 1:"
428        : "=m" (*udst), "=&a" (eax) : "r" (byte));
429   return eax != 0;
430 }
431 @end verbatim
432
433 Each of these functions assumes that the user address has already been
434 verified to be below @code{PHYS_BASE}.  They also assume that you've
435 modified @func{page_fault} so that a page fault in the kernel causes
436 @code{eax} to be set to 0 and its former value copied into @code{eip}.
437
438 @node Project 2 Requirements
439 @section Requirements
440
441 @menu
442 * Project 2 Design Document::   
443 * Process Termination Messages::  
444 * Argument Passing::            
445 * System Calls::                
446 * Denying Writes to Executables::  
447 @end menu
448
449 @node Project 2 Design Document
450 @subsection Design Document
451
452 Before you turn in your project, you must copy @uref{userprog.tmpl, ,
453 the project 2 design document template} into your source tree under the
454 name @file{pintos/src/userprog/DESIGNDOC} and fill it in.  We recommend
455 that you read the design document template before you start working on
456 the project.  @xref{Project Documentation}, for a sample design document
457 that goes along with a fictitious project.
458
459 @node Process Termination Messages
460 @subsection Process Termination Messages
461
462 Whenever a user process terminates, because it called @code{exit}
463 or for any other reason, print the process's name
464 and exit code, formatted as if printed by @code{printf ("%s:
465 exit(%d)\n", @dots{});}.  The name printed should be the full name
466 passed to @func{process_execute}, omitting command-line arguments.
467 Do not print these messages when a kernel thread that is not a user
468 process terminates, or
469 when the @code{halt} system call is invoked.  The message is optional
470 when a process fails to load.
471
472 Aside from this, don't print any other
473 messages that Pintos as provided doesn't already print.  You may find
474 extra messages useful during debugging, but they will confuse the
475 grading scripts and thus lower your score.
476
477 @node Argument Passing
478 @subsection Argument Passing
479
480 Currently, @func{process_execute} does not support passing arguments to
481 new processes.  Implement this functionality, by extending
482 @func{process_execute} so that instead of simply taking a program file
483 name as its argument, it divides it into words at spaces.  The first
484 word is the program name, the second word is the first argument, and so
485 on.  That is, @code{process_execute("grep foo bar")} should run
486 @command{grep} passing two arguments @code{foo} and @code{bar}.
487
488 Within a command line, multiple spaces are equivalent to a single space,
489 so that @code{process_execute("grep foo bar")} is equivalent to our
490 original example.  You can impose a reasonable limit on the length of
491 the command line arguments.  For example, you could limit the arguments
492 to those that will fit in a single page (4 kB).
493
494 You can parse argument strings any way you like.  If you're lost,
495 look at @func{strtok_r}, prototyped in @file{lib/string.h} and
496 implemented with thorough comments in @file{lib/string.c}.  You can
497 find more about it by looking at the man page (run @code{man strtok_r}
498 at the prompt).
499
500 @xref{Program Startup Details}, for information on exactly how you
501 need to set up the stack.
502
503 @node System Calls
504 @subsection System Calls
505
506 Implement the system call handler in @file{userprog/syscall.c}.  The
507 skeleton implementation we provide ``handles'' system calls by
508 terminating the process.  It will need to retrieve the system call
509 number, then any system call arguments, and carry appropriate actions.
510
511 Implement the following system calls.  The prototypes listed are those
512 seen by a user program that includes @file{lib/user/syscall.h}.  System
513 call numbers for each system call are defined in
514 @file{lib/syscall-nr.h}:
515
516 @deftypefn {System Call} void halt (void)
517 Terminates Pintos by calling @func{power_off} (declared in
518 @file{threads/init.h}).  Note that this should be seldom used, since
519 then you lose some information about possible deadlock situations,
520 etc.
521 @end deftypefn
522
523 @deftypefn {System Call} void exit (int @var{status})
524 Terminates the current user program, returning @var{status} to the
525 kernel.  If the process's parent @code{wait}s for it (see below), this
526 is the status
527 that will be returned.  Conventionally, a @var{status} of 0 indicates
528 success and nonzero values indicate errors.
529 @end deftypefn
530
531 @deftypefn {System Call} pid_t exec (const char *@var{cmd_line})
532 Runs the executable whose name is given in @var{cmd_line}, passing any
533 given arguments, and returns the new process's program id (pid).  Must
534 return pid -1, which otherwise should not be a valid pid, if
535 the program cannot load or run for any reason.
536 @end deftypefn
537
538 @deftypefn {System Call} int wait (pid_t @var{pid})
539 Waits for process @var{pid} to die and returns the status it passed to
540 @code{exit}.  Returns -1 if @var{pid}
541 was terminated by the kernel (i.e.@: killed due to an exception).  If
542 @var{pid} is invalid or if it was not a child of the
543 calling thread, or if @code{wait} has already been successfully
544 called for the given @var{pid}, returns -1 immediately, without
545 waiting.
546
547 You must ensure that Pintos does not terminate until the initial
548 process exits.  The supplied Pintos code tries to do this by calling
549 @func{process_wait} (in @file{userprog/process.c}) from @func{main}
550 (in @file{threads/init.c}).  We suggest that you implement
551 @func{process_wait} according to the comment at the top of the
552 function and then implement the @code{wait} system call in terms of
553 @func{process_wait}.
554
555 All of a process's resources, including its @struct{thread}, must be
556 freed whether its parent ever waits for it or not, and regardless of
557 whether the child exits before or after its parent.
558
559 Children are not inherited: if @var{A} has child @var{B} and
560 @var{B} has child @var{C}, then @code{wait(C)} always returns immediately
561 when called from @var{A}, even if @var{B} is dead.
562
563 Consider all the ways a wait can occur: nested waits (@var{A} waits
564 for @var{B}, then @var{B} waits for @var{C}), multiple waits (@var{A}
565 waits for @var{B}, then @var{A} waits for @var{C}), and so on.
566 @end deftypefn
567
568 @deftypefn {System Call} bool create (const char *@var{file}, unsigned @var{initial_size})
569 Creates a new file called @var{file} initially @var{initial_size} bytes
570 in size.  Returns true if successful, false otherwise.
571 @end deftypefn
572
573 @deftypefn {System Call} bool remove (const char *@var{file})
574 Deletes the file called @var{file}.  Returns true if successful, false
575 otherwise.
576 @end deftypefn
577
578 @deftypefn {System Call} int open (const char *@var{file})
579 Opens the file called @var{file}.  Returns a nonnegative integer handle
580 called a ``file descriptor'' (fd), or -1 if the file could not be
581 opened.  All open files associated with a process should be closed
582 when the process exits or is terminated.
583
584 File descriptors numbered 0 and 1 are reserved for the console: fd 0
585 is standard input (@code{stdin}), fd 1 is standard output
586 (@code{stdout}).  These special file descriptors are valid as system
587 call arguments only as explicitly described below.
588 @end deftypefn
589
590 @deftypefn {System Call} int filesize (int @var{fd})
591 Returns the size, in bytes, of the file open as @var{fd}.
592 @end deftypefn
593
594 @deftypefn {System Call} int read (int @var{fd}, void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
595 Reads @var{size} bytes from the file open as @var{fd} into
596 @var{buffer}.  Returns the number of bytes actually read (0 at end of
597 file), or -1 if the file could not be read (due to a condition other
598 than end of file).  Fd 0 reads from the keyboard using
599 @func{kbd_getc}.
600 @end deftypefn
601
602 @deftypefn {System Call} int write (int @var{fd}, const void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
603 Writes @var{size} bytes from @var{buffer} to the open file @var{fd}.
604 Returns the number of bytes actually written, or -1 if the file could
605 not be written.
606
607 Fd 1 writes to the console.  Your code to write to the console should
608 write all of @var{buffer} in one call to @func{putbuf}, at least as
609 long as @var{size} is not bigger than a few hundred bytes.  Otherwise,
610 lines of text output by different processes may end up interleaved on
611 the console, confusing both human readers and our grading scripts.
612 @end deftypefn
613
614 @deftypefn {System Call} void seek (int @var{fd}, unsigned @var{position})
615 Changes the next byte to be read or written in open file @var{fd} to
616 @var{position}, expressed in bytes from the beginning of the file.
617 (Thus, a @var{position} of 0 is the file's start.)
618
619 A seek past the current end of a file is not an error.  A later read
620 obtains 0 bytes, indicating end of file.  A later write extends the
621 file, filling any unwritten gap with zeros.  (However, in Pintos files
622 have a fixed length until project 4 is complete, so writes past end of
623 file will return an error.)  These semantics are implemented in the
624 file system and do not require any special effort in system call
625 implementation.
626 @end deftypefn
627
628 @deftypefn {System Call} unsigned tell (int @var{fd})
629 Returns the position of the next byte to be read or written in open
630 file @var{fd}, expressed in bytes from the beginning of the file.
631 @end deftypefn
632
633 @deftypefn {System Call} void close (int @var{fd})
634 Closes file descriptor @var{fd}.
635 @end deftypefn
636
637 The file defines other syscalls.  Ignore them for now.  You will
638 implement some of them in project 3 and the rest in project 4, so be
639 sure to design your system with extensibility in mind.
640
641 To implement syscalls, you need to provide ways to copy data
642 from user virtual address space into the kernel and vice versa.
643 You need this ability before you can
644 even obtain the system call number, because the system call number is
645 on the user's stack in the user's virtual address space.
646 This can be a bit tricky: what if the user provides an invalid
647 pointer, a pointer into kernel memory, or a block
648 partially in one of those regions?  You should handle these cases by
649 terminating the user process.    We recommend
650 writing and testing this code before implementing any other system
651 call functionality.
652
653 You must synchronize system calls so that
654 any number of user processes can make them at once.  In particular, it
655 is not safe to call into the file system code provided in the
656 @file{filesys} directory from multiple threads at once.  For now, we
657 recommend adding a single lock that controls access to the file system
658 code.  You should acquire this lock before calling any functions in
659 the @file{filesys} directory, and release it afterward.  Don't forget
660 that @func{process_execute} also accesses files.  @strong{For now, we
661 recommend against modifying code in the @file{filesys} directory.}
662
663 We have provided you a user-level function for each system call in
664 @file{lib/user/syscall.c}.  These provide a way for user processes to
665 invoke each system call from a C program.  Each uses a little inline
666 assembly code to invoke the system call and (if appropriate) returns the
667 system call's return value.
668
669 When you're done with this part, and forevermore, Pintos should be
670 bulletproof.  Nothing that a user program can do should ever cause the
671 OS to crash, panic, fail an assertion, or otherwise malfunction.  It is
672 important to emphasize this point: our tests will try to break your
673 system calls in many, many ways.  You need to think of all the corner
674 cases and handle them.  The sole way a user program should be able to
675 cause the OS to halt is by invoking the @code{halt} system call.
676
677 If a system call is passed an invalid argument, acceptable options
678 include returning an error value (for those calls that return a
679 value), returning an undefined value, or terminating the process.
680
681 @xref{System Call Details}, for details on how system calls work.
682
683 @node Denying Writes to Executables
684 @subsection Denying Writes to Executables
685
686 Add code to deny writes to files in use as executables.  Many OSes do
687 this because of the unpredictable results if a process tried to run code
688 that was in the midst of being changed on disk.  This is especially
689 important once virtual memory is implemented in project 3, but it can't
690 hurt even now.
691
692 You can use @func{file_deny_write} to prevent writes to an open file.
693 Calling @func{file_allow_write} on the file will re-enable them (unless
694 the file is denied writes by another opener).  Closing a file will also
695 re-enable writes.
696
697 @node Project 2 FAQ
698 @section FAQ
699
700 @table @asis
701 @item How much code will I need to write?
702
703 Here's a summary of our reference solution, produced by the
704 @command{diffstat} program.  The final row gives total lines inserted
705 and deleted; a changed line counts as both an insertion and a deletion.
706
707 @verbatim
708  threads/thread.c     |   13 
709  threads/thread.h     |   26 +
710  userprog/exception.c |    8 
711  userprog/process.c   |  247 ++++++++++++++--
712  userprog/syscall.c   |  468 ++++++++++++++++++++++++++++++-
713  userprog/syscall.h   |    1 
714  6 files changed, 725 insertions(+), 38 deletions(-)
715 @end verbatim
716
717 @item The kernel always panics when I run @code{pintos -p @var{file} -- -q}.
718
719 Did you format the disk (with @samp{pintos -f})?
720
721 Is your file name too long?  The file system limits file names to 14
722 characters.  A command like @samp{pintos -p ../../examples/echo -- -q}
723 will exceed the limit.  Use @samp{pintos -p ../../examples/echo -a echo
724 -- -q} to put the file under the name @file{echo} instead.
725
726 Is the file system full?
727
728 Does the file system already contain 16 files?  The base Pintos file
729 system has a 16-file limit.
730
731 The file system may be so fragmented that there's not enough contiguous
732 space for your file.
733
734 @item When I run @code{pintos -p ../file --}, @file{file} isn't copied.
735
736 Files are written under the name you refer to them, by default, so in
737 this case the file copied in would be named @file{../file}.  You
738 probably want to run @code{pintos -p ../file -a file --} instead.
739
740 @item All my user programs die with page faults.
741
742 This will happen if you haven't implemented argument passing
743 (or haven't done so correctly).  The basic C library for user programs tries
744 to read @var{argc} and @var{argv} off the stack.  If the stack
745 isn't properly set up, this causes a page fault.
746
747 @item All my user programs die with @code{system call!}
748
749 You'll have to implement system calls before you see anything else.
750 Every reasonable program tries to make at least one system call
751 (@func{exit}) and most programs make more than that.  Notably,
752 @func{printf} invokes the @code{write} system call.  The default system
753 call handler just prints @samp{system call!} and terminates the program.
754 Until then, you can use @func{hex_dump} to convince yourself that
755 argument passing is implemented correctly (@pxref{Program Startup Details}).
756
757 @item How can I can disassemble user programs?
758
759 The @command{objdump} (80@var{x}86) or @command{i386-elf-objdump}
760 (SPARC) utility can disassemble entire user
761 programs or object files.  Invoke it as @code{objdump -d
762 @var{file}}.  You can use @code{gdb}'s
763 @command{disassemble} command to disassemble individual functions
764 (@pxref{gdb}).
765
766 @item Why do many C include files not work in Pintos programs?
767
768 The C library we provide is very limited.  It does not include many of
769 the features that are expected of a real operating system's C library.
770 The C library must be built specifically for the operating system (and
771 architecture), since it must make system calls for I/O and memory
772 allocation.  (Not all functions do, of course, but usually the library
773 is compiled as a unit.)
774
775 @item Can I use lib@var{foo} in my Pintos programs?
776
777 The chances are good that lib@var{foo} uses parts of the C library
778 that Pintos doesn't implement.  It will probably take at least some
779 porting effort to make it work under Pintos.  Notably, the Pintos
780 user program C library does not have a @func{malloc} implementation.
781
782 @item How do I compile new user programs?
783
784 Modify @file{src/examples/Makefile}, then run @command{make}.
785
786 @item What's the difference between @code{tid_t} and @code{pid_t}?
787
788 A @code{tid_t} identifies a kernel thread, which may have a user
789 process running in it (if created with @func{process_execute}) or not
790 (if created with @func{thread_create}).  It is a data type used only
791 in the kernel.
792
793 A @code{pid_t} identifies a user process.  It is used by user
794 processes and the kernel in the @code{exec} and @code{wait} system
795 calls.
796
797 You can choose whatever suitable types you like for @code{tid_t} and
798 @code{pid_t}.  By default, they're both @code{int}.  You can make them
799 a one-to-one mapping, so that the same values in both identify the
800 same process, or you can use a more complex mapping.  It's up to you.
801
802 @item Keyboard input doesn't work with @command{pintos} option @option{-v}.
803
804 Serial input isn't implemented.  Don't use @option{-v} if you
805 want to use the shell or otherwise need keyboard input.
806 @end table
807
808 @menu
809 * Argument Passing FAQ::        
810 * System Calls FAQ::            
811 @end menu
812
813 @node Argument Passing FAQ
814 @subsection Argument Passing FAQ
815
816 @table @asis
817 @item Isn't the top of stack off the top of user virtual memory?
818
819 The top of stack is at @code{PHYS_BASE}, typically @t{0xc0000000}, which
820 is also where kernel virtual memory starts.
821 But when the processor pushes data on the stack, it decrements the stack
822 pointer first.  Thus, the first (4-byte) value pushed on the stack
823 will be at address @t{0xbffffffc}.
824
825 @item Is @code{PHYS_BASE} fixed?
826
827 No.  You should be able to support @code{PHYS_BASE} values that are
828 any multiple of @t{0x10000000} from @t{0x80000000} to @t{0xf0000000},
829 simply via recompilation.
830 @end table
831
832 @node System Calls FAQ
833 @subsection System Calls FAQ
834
835 @table @asis
836 @item Can I just cast a @code{struct file *} to get a file descriptor?
837 @itemx Can I just cast a @code{struct thread *} to a @code{pid_t}?
838
839 You will have to make these design decisions yourself.
840 Most operating systems do distinguish between file
841 descriptors (or pids) and the addresses of their kernel data
842 structures.  You might want to give some thought as to why they do so
843 before committing yourself.
844
845 @item Can I set a maximum number of open files per process?
846
847 It is better not to set an arbitrary limit.  You may impose a limit of
848 128 open files per process, if necessary.
849
850 @item What happens when an open file is removed?
851 @anchor{Removing an Open File}
852
853 You should implement the standard Unix semantics for files.  That is, when
854 a file is removed any process which has a file descriptor for that file
855 may continue to use that descriptor.  This means that
856 they can read and write from the file.  The file will not have a name,
857 and no other processes will be able to open it, but it will continue
858 to exist until all file descriptors referring to the file are closed
859 or the machine shuts down.
860
861 @item How can I run user programs that need more than 4 kB stack space?
862
863 You may modify the stack setup code to allocate more than one page of
864 stack space for each process.  In the next project, you will implement a
865 better solution.
866 @end table
867
868 @node 80x86 Calling Convention
869 @section 80@var{x}86 Calling Convention
870
871 This section summarizes important points of the convention used for
872 normal function calls on 32-bit 80@var{x}86 implementations of Unix.
873 Some details are omitted for brevity.  If you do want all the details,
874 you can refer to @bibref{SysV-i386}.
875
876 The basic calling convention works like this:
877
878 @enumerate 1
879 @item
880 The caller pushes each of the function's arguments on the stack one by
881 one, normally using the @code{PUSH} assembly language instruction.
882 Arguments are pushed in right-to-left order.
883
884 @item
885 The caller pushes the address of its next instruction (the @dfn{return
886 address}) on the stack and jumps to the first instruction of the callee.
887 A single 80@var{x}86 instruction, @code{CALL}, does both.
888
889 @item
890 The callee executes.  When it takes control, the stack pointer points to
891 the return address, the first argument is just above it, the second
892 argument is just above the first argument, and so on.
893
894 @item
895 If the callee has a return value, it stores it into register @code{EAX}.
896
897 @item
898 The callee returns by popping the return address from the stack and
899 jumping to the location it specifies, using the 80@var{x}86 @code{RET}
900 instruction.
901
902 @item
903 The caller pops the arguments off the stack.
904 @end enumerate
905
906 Consider a function @func{f} that takes three @code{int} arguments.
907 This diagram shows a sample stack frame as seen by the callee at the
908 beginning of step 3 above, supposing that @func{f} is invoked as
909 @code{f(1, 2, 3)}.  The stack addresses are arbitrary:
910
911 @html
912 <CENTER>
913 @end html
914 @example
915                              +----------------+
916                   0xbffffe7c |        3       |
917                              +----------------+
918                   0xbffffe78 |        2       |
919                              +----------------+
920                   0xbffffe74 |        1       |
921                              +----------------+
922 stack pointer --> 0xbffffe70 | return address |
923                              +----------------+
924 @end example
925 @html
926 </CENTER>
927 @end html
928
929 @menu
930 * Program Startup Details::     
931 * System Call Details::         
932 @end menu
933
934 @node Program Startup Details
935 @subsection Program Startup Details
936
937 The Pintos C library for user programs designates @func{_start}, in
938 @file{lib/user/entry.c}, as the entry point for user programs.  This
939 function is a wrapper around @func{main} that calls @func{exit} if
940 @func{main} returns:
941
942 @example
943 void
944 _start (int argc, char *argv[]) 
945 @{
946   exit (main (argc, argv));
947 @}
948 @end example
949
950 The kernel is responsible for setting up the arguments for the initial
951 function on the stack, in accordance with the calling convention
952 explained in the preceding section, before it allows the user program to
953 begin executing.
954
955 Consider the following example command: @samp{/bin/ls -l foo bar}.
956 First, the kernel must break the command into words, as @samp{/bin/ls},
957 @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}, and place them at the top of the
958 stack.  Order doesn't matter, because they will be referenced through
959 pointers.
960
961 Then, push the address of each string plus a null pointer sentinel, on
962 the stack, in right-to-left order.  These are the elements of
963 @code{argv}.  The order ensure that @code{argv[0]} is at the lowest
964 virtual address.  Word-aligned accesses are faster than unaligned
965 accesses, so for best performance round the stack pointer down to a
966 multiple of 4 before the first push.
967
968 Then, push @code{argv} (the address of @code{argv[0]}) and @code{argc},
969 in that order.  Finally, push a fake ``return address'': although the
970 entry function will never return, its stack frame must have the same
971 structure as any other.
972
973 The table below show the state of the stack and the relevant registers
974 right before the beginning of the user program, assuming
975 @code{PHYS_BASE} is @t{0xc0000000}:
976
977 @html
978 <CENTER>
979 @end html
980 @multitable {@t{0xbfffffff}} {return address} {@t{/bin/ls\0}} {@code{void (*) ()}}
981 @item Address @tab Name @tab Data @tab Type
982 @item @t{0xbffffffc} @tab @code{argv[3][@dots{}]} @tab @samp{bar\0} @tab @code{char[4]}
983 @item @t{0xbffffff8} @tab @code{argv[2][@dots{}]} @tab @samp{foo\0} @tab @code{char[4]}
984 @item @t{0xbffffff5} @tab @code{argv[1][@dots{}]} @tab @samp{-l\0} @tab @code{char[3]}
985 @item @t{0xbfffffed} @tab @code{argv[0][@dots{}]} @tab @samp{/bin/ls\0} @tab @code{char[8]}
986 @item @t{0xbfffffec} @tab word-align @tab 0 @tab @code{uint8_t}
987 @item @t{0xbfffffe8} @tab @code{argv[4]} @tab @t{0} @tab @code{char *}
988 @item @t{0xbfffffe4} @tab @code{argv[3]} @tab @t{0xbffffffc} @tab @code{char *}
989 @item @t{0xbfffffe0} @tab @code{argv[2]} @tab @t{0xbffffff8} @tab @code{char *}
990 @item @t{0xbfffffdc} @tab @code{argv[1]} @tab @t{0xbffffff5} @tab @code{char *}
991 @item @t{0xbfffffd8} @tab @code{argv[0]} @tab @t{0xbfffffed} @tab @code{char *}
992 @item @t{0xbfffffd4} @tab @code{argv} @tab @t{0xbfffffd8} @tab @code{char **}
993 @item @t{0xbfffffd0} @tab @code{argc} @tab 4 @tab @code{int}
994 @item @t{0xbfffffcc} @tab return address @tab 0 @tab @code{void (*) ()}
995 @end multitable
996 @html
997 </CENTER>
998 @end html
999
1000 In this example, the stack pointer would be initialized to
1001 @t{0xbfffffcc}.
1002
1003 As shown above, your code should start the stack at the very top of
1004 the user virtual address space, in the page just below virtual address
1005 @code{PHYS_BASE} (defined in @file{threads/mmu.h}).
1006
1007 You may find the non-standard @func{hex_dump} function, declared in
1008 @file{<stdio.h>}, useful for debugging your argument passing code.
1009 Here's what it would show in the above example:
1010
1011 @verbatim
1012 bfffffc0                                      00 00 00 00 |            ....|
1013 bfffffd0  04 00 00 00 d8 ff ff bf-ed ff ff bf f5 ff ff bf |................|
1014 bfffffe0  f8 ff ff bf fc ff ff bf-00 00 00 00 00 2f 62 69 |............./bi|
1015 bffffff0  6e 2f 6c 73 00 2d 6c 00-66 6f 6f 00 62 61 72 00 |n/ls.-l.foo.bar.|
1016 @end verbatim
1017
1018 @node System Call Details
1019 @subsection System Call Details
1020
1021 The first project already dealt with one way that the operating system
1022 can regain control from a user program: interrupts from timers and I/O
1023 devices.  These are ``external'' interrupts, because they are caused
1024 by entities outside the CPU (@pxref{External Interrupt Handling}).
1025
1026 The operating system also deals with software exceptions, which are
1027 events that occur in program code (@pxref{Internal Interrupt
1028 Handling}).  These can be errors such as a page fault or division by
1029 zero.  Exceptions are also the means by which a user program
1030 can request services (``system calls'') from the operating system.
1031
1032 In the 80@var{x}86 architecture, the @samp{int} instruction is the
1033 most commonly used means for invoking system calls.  This instruction
1034 is handled in the same way as other software exceptions.  In Pintos,
1035 user programs invoke @samp{int $0x30} to make a system call.  The
1036 system call number and any additional arguments are expected to be
1037 pushed on the stack in the normal fashion before invoking the
1038 interrupt.
1039
1040 Thus, when the system call handler @func{syscall_handler} gets control,
1041 the system call number is in the 32-bit word at the caller's stack
1042 pointer, the first argument is in the 32-bit word at the next higher
1043 address, and so on.  The caller's stack pointer is accessible to
1044 @func{syscall_handler} as the @samp{esp} member of the @code{struct
1045 intr_frame} passed to it.
1046
1047 The 80@var{x}86 convention for function return values is to place them
1048 in the @code{EAX} register.  System calls that return a value can do
1049 so by modifying the @samp{eax} member of @struct{intr_frame}.
1050
1051 You should try to avoid writing large amounts of repetitive code for
1052 implementing system calls.  Each system call argument, whether an
1053 integer or a pointer, takes up 4 bytes on the stack.  You should be able
1054 to take advantage of this to avoid writing much near-identical code for
1055 retrieving each system call's arguments from the stack.