Get rid of THREAD_JOIN_IMPLEMENTED by adding thread_join() stub.
[pintos-anon] / doc / userprog.texi
1 @node Project 2--User Programs, Project 3--Virtual Memory, Project 1--Threads, Top
2 @chapter Project 2: User Programs
3
4 Now that you've worked with Pintos and are familiar with its
5 infrastructure and thread package, it's time to start working on the
6 parts of the system that will allow users to run programs on top of
7 your operating system.  The base code already supports loading and
8 running a single user program at a time with little interactivity
9 possible.  You will allow multiple programs to be loaded in at once,
10 and to interact with the OS via system calls.
11
12 You will be working out of the @file{userprog} directory for this
13 assignment.  However, you will also be interacting with almost every
14 other part of the code for this assignment. We will describe the
15 relevant parts below. If you are confident in your HW1 code, you can
16 build on top of it.  However, if you wish you can start with a fresh
17 copy of the code and re-implement @func{thread_join}, which is the
18 only part of project #1 required for this assignment.
19
20 Up to now, all of the code you have written for Pintos has been part
21 of the operating system kernel.  This means, for example, that all the
22 test code from the last assignment ran as part of the kernel, with
23 full access to privileged parts of the system.  Once we start running
24 user programs on top of the operating system, this is no longer true.
25 This project deals with consequences of the change.
26
27 We allow more than one user program to run at a time.  Because user
28 programs are written and compiled to work under the illusion that they
29 have the entire machine, when you load into memory and run more than
30 one process at a time, you must manage things correctly to maintain
31 this illusion.
32
33 Before we delve into the details of the new code that you'll be
34 working with, you should probably undo the test cases from project 1.
35
36 @menu
37 * Project 2 Code::              
38 * Using the File System::       
39 * How User Programs Work::      
40 * Virtual Memory Layout::       
41 * Global 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 Global Requirements
282 @section Global 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 @end itemize
330
331 @node Problem 2-1 Argument Passing
332 @section Problem 2-1: Argument Passing
333
334 Currently, @func{process_execute} does not support passing arguments
335 to new processes.  UNIX and other operating systems do allow passing
336 command line arguments to a program, which accesses them via the argc,
337 argv arguments to main.  You must implement this functionality by
338 extending @func{process_execute} so that instead of simply taking a
339 program file name as its argument, it divides it into words at spaces.
340 The first word is the program name, the second word is the first
341 argument, and so on.  That is, @code{process_execute("grep foo bar")}
342 should run @command{grep} passing two arguments @code{foo} and
343 @file{bar}.  A few details:
344
345 @itemize
346 @item
347 Multiple spaces are considered the same as a single space, so that
348 @code{process_execute("grep foo bar")} would be equivalent to our
349 original example.
350
351 @item
352 You can impose a reasonable limit on the length of the command line
353 arguments.  For example, you could limit the arguments to those that
354 will fit in a single page (4 kB).
355
356 @item
357 You can parse the argument strings any way you like.  If you're lost,
358 look at @func{strtok_r}, prototyped in @file{lib/string.h} and
359 implemented with thorough comments in @file{lib/string.c}.  You can
360 find more about it by looking at the man page (run @code{man strtok_r}
361 at the prompt).
362
363 @item
364 @xref{80x86 Calling Convention}, for information on exactly how you
365 need to set up the stack.
366 @end itemize
367
368 @strong{This functionality is extremely important.}  Almost all our
369 test cases rely on being able to pass arguments, so if you don't get
370 this right, a lot of things will not appear to work correctly with our
371 tests.  If the tests fail, so do you.  Fortunately, this part
372 shouldn't be too hard.
373
374 @node Problem 2-2 System Calls
375 @section Problem 2-2: System Calls
376
377 Implement the system call handler in @file{userprog/syscall.c} to
378 properly deal with all the system calls described below.  Currently,
379 it ``handles'' system calls by terminating the process.  You will need
380 to decipher system call arguments and take the appropriate action for
381 each.
382
383 You are required to support the following system calls, whose syscall
384 numbers are defined in @file{lib/syscall-nr.h} and whose C functions
385 called by user programs are prototyped in @file{lib/user/syscall.h}:
386
387 @table @code
388 @item SYS_halt
389 @itemx void halt (void)
390 Stops Pintos by calling @func{power_off} (declared in
391 @file{threads/init.h}).  Note that this should be seldom used, since
392 then you lose some information about possible deadlock situations,
393 etc.
394
395 @item SYS_exit
396 @itemx void exit (int @var{status})
397 Terminates the current user program, returning @var{status} to the
398 kernel.  If the process's parent @func{join}s it, this is the status
399 that will be returned.  Conventionally, a @var{status} of 0 indicates
400 a successful exit.  Other values may be used to indicate user-defined
401 conditions (usually errors).
402
403 @item SYS_exec
404 @itemx pid_t exec (const char *@var{cmd_line})
405 Runs the executable whose name is given in @var{cmd_line}, passing any
406 given arguments, and returns the new process's program id (pid).  Must
407 return pid -1, which otherwise should not be a valid program id, if
408 there is an error loading this program.
409
410 @item SYS_join
411 @itemx int join (pid_t @var{pid})
412 Joins the process @var{pid}, using the join rules from the last
413 assignment, and returns the process's exit status.  If the process was
414 terminated by the kernel (i.e.@: killed due to an exception), the exit
415 status should be -1.  If the process was not a child of the calling
416 process, the return value is undefined (but kernel operation must not
417 be disrupted).
418
419 @item SYS_create
420 @itemx bool create (const char *@var{file}, unsigned @var{initial_size})
421 Create a new file called @var{file} initially @var{initial_size} bytes
422 in size.  Returns true if successful, false otherwise.
423
424 @item SYS_remove
425 @itemx bool remove (const char *@var{file})
426 Delete the file called @var{file}.  Returns true if successful, false
427 otherwise.
428
429 @item SYS_open
430 @itemx int open (const char *@var{file})
431 Open the file called @var{file}.  Returns a nonnegative integer handle
432 called a ``file descriptor'' (fd), or -1 if the file could not be
433 opened.  All open files associated with a process should be closed
434 when the process exits or is terminated.
435
436 File descriptors numbered 0 and 1 are reserved for the console: fd 0
437 is standard input (@code{stdin}), fd 1 is standard output
438 (@code{stdout}).  These special file descriptors are valid as system
439 call arguments only as explicitly described below.
440
441 @item SYS_filesize
442 @itemx int filesize (int @var{fd})
443 Returns the size, in bytes, of the file open as @var{fd}.
444
445 @item SYS_read
446 @itemx int read (int @var{fd}, void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
447 Read @var{size} bytes from the file open as @var{fd} into
448 @var{buffer}.  Returns the number of bytes actually read (0 at end of
449 file), or -1 if the file could not be read (due to a condition other
450 than end of file).  Fd 0 reads from the keyboard using
451 @func{kbd_getc}.
452
453 @item SYS_write
454 @itemx int write (int @var{fd}, const void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
455 Write @var{size} bytes from @var{buffer} to the open file @var{fd}.
456 Returns the number of bytes actually written, or -1 if the file could
457 not be written.   
458
459 Fd 1 writes to the console.  Your code to write to the console should
460 write all of @var{buffer} in one call to @func{putbuf}, at least as
461 long as @var{size} is not bigger than a few hundred bytes.  Otherwise,
462 lines of text output by different processes may end up interleaved on
463 the console, confusing both human readers and our grading scripts.
464
465 @item SYS_seek
466 @itemx void seek (int @var{fd}, unsigned @var{position})
467 Changes the next byte to be read or written in open file @var{fd} to
468 @var{position}, expressed in bytes from the beginning of the file.
469 (Thus, a @var{position} of 0 is the file's start.)
470
471 A seek past the current end of a file is not an error.  A later read
472 obtains 0 bytes, indicating end of file.  A later write extends the
473 file, filling any unwritten gap with zeros.  (However, in Pintos files
474 have a fixed length until project 4 is complete, so writes past end of
475 file will return an error.)  These semantics are implemented in the
476 file system and do not require any special effort in system call
477 implementation.
478
479 @item SYS_tell
480 @itemx unsigned tell (int @var{fd})
481 Returns the position of the next byte to be read or written in open
482 file @var{fd}, expressed in bytes from the beginning of the file.
483
484 @item SYS_close
485 @itemx void close (int @var{fd})
486 Close file descriptor @var{fd}.
487 @end table
488
489 The file defines other syscalls.  Ignore them for now.  You will
490 implement some of them in project 3 and the rest in project 4, so be
491 sure to design your system with extensibility in mind.
492
493 To implement syscalls, you will need to provide a way of copying data
494 from the user's virtual address space into the kernel and vice versa.
495 This can be a bit tricky: what if the user provides an invalid
496 pointer, a pointer into kernel memory, or points to a block that is
497 partially in one of those regions?  You should handle these cases by
498 terminating the user process.  You will need this code before you can
499 even obtain the system call number, because the system call number is
500 on the user's stack in the user's virtual address space.  We recommend
501 writing and testing this code before implementing any other system
502 call functionality.
503
504 @anchor{Synchronizing File Access}
505 You must make sure that system calls are properly synchronized so that
506 any number of user processes can make them at once.  In particular, it
507 is not safe to call into the filesystem code provided in the
508 @file{filesys} directory from multiple threads at once.  For now, we
509 recommend adding a single lock that controls access to the filesystem
510 code.  You should acquire this lock before calling any functions in
511 the @file{filesys} directory, and release it afterward.  Don't forget
512 that @func{process_execute} also accesses files.  @strong{For now, we
513 recommend against modifying code in the @file{filesys} directory.}
514
515 We have provided you a user-level function for each system call in
516 @file{lib/user/syscall.c}.  These provide a way for user processes to
517 invoke each system call from a C program.  Each uses a little inline
518 assembly code to invoke the system call and (if appropriate) returns the
519 system call's return value.
520
521 When you're done with this part, and forevermore, Pintos should be
522 bulletproof.  Nothing that a user program can do should ever cause the
523 OS to crash, halt, assert fail, or otherwise stop running.  It is
524 important to emphasize this point: our tests will try to break your
525 system calls in many, many ways.  You need to think of all the corner
526 cases and handle them.  The sole way a user program should be able to
527 cause the OS to halt is by invoking the @code{halt} system call.
528
529 If a system call is passed an invalid argument, acceptable options
530 include returning an error value (for those calls that return a
531 value), returning an undefined value, or terminating the process.
532
533 @xref{System Calls}, for more information on how syscalls work.
534
535 @node User Programs FAQ
536 @section FAQ
537
538 @enumerate 1
539 @item
540 @b{Do we need a working project 1 to implement project 2?}
541
542 You may find the code for @func{thread_join} to be useful in
543 implementing the join syscall, but besides that, you can use
544 the original code provided for project 1.
545
546 @item
547 @b{@samp{pintos put} always panics.}
548
549 Here are the most common causes:
550
551 @itemize @bullet
552 @item
553 The disk hasn't yet been formatted (with @samp{pintos run -f}).
554
555 @item
556 The file name specified is too long.  The file system limits file names
557 to 14 characters.  If you're using a command like @samp{pintos put
558 ../../tests/userprog/echo}, that overflows the limit.  Use
559 @samp{pintos put ../../tests/userprog/echo echo} to put the file under
560 the name @file{echo} instead.
561
562 @item
563 The file system is full.
564
565 @item
566 The file system already contains 10 files.  (There's a 10-file limit for
567 the base Pintos file system.)
568
569 @item
570 The file system is so fragmented that there's not enough contiguous
571 space for your file.
572 @end itemize
573
574 @item
575 @b{All my user programs die with page faults.}
576
577 This will generally happen if you haven't implemented problem 2-1
578 yet.  The reason is that the basic C library for user programs tries
579 to read @var{argc} and @var{argv} off the stack.  Because the stack
580 isn't properly set up yet, this causes a page fault.
581
582 @item
583 @b{I implemented 2-1 and now all my user programs die with
584 @samp{system call!}.}
585
586 Every reasonable program tries to make at least one system call
587 (@func{exit}) and most programs make more than that.  Notably,
588 @func{printf} invokes the @code{write} system call.  The default
589 system call handler just prints @samp{system call!} and terminates the
590 program.  You'll have to implement 2-2 before you see anything more
591 interesting.  Until then, you can use @func{hex_dump} to convince
592 yourself that 2-1 is implemented correctly (@pxref{Argument Passing to
593 main}).
594
595 @item
596 @b{Is there a way I can disassemble user programs?}
597
598 The @command{i386-elf-objdump} utility can disassemble entire user
599 programs or object files.  Invoke it as @code{i386-elf-objdump -d
600 @var{file}}.  You can also use @code{i386-elf-gdb}'s
601 @command{disassemble} command to disassemble individual functions in
602 object files compiled with debug information.
603
604 @item
605 @b{Why can't I use many C include files in my Pintos programs?}
606
607 The C library we provide is very limited.  It does not include many of
608 the features that are expected of a real operating system's C library.
609 The C library must be built specifically for the operating system (and
610 architecture), since it must make system calls for I/O and memory
611 allocation.  (Not all functions do, of course, but usually the library
612 is compiled as a unit.)
613
614 @item
615 @b{Can I use lib@var{foo} in my Pintos programs?}
616
617 The chances are good that lib@var{foo} uses parts of the C library
618 that Pintos doesn't implement.  It will probably take at least some
619 porting effort to make it work under Pintos.  Notably, the Pintos
620 userland C library does not have a @func{malloc} implementation.
621
622 @item
623 @b{How do I compile new user programs?}
624
625 You need to modify @file{tests/Makefile}.
626
627 @item
628 @b{What's the difference between @code{tid_t} and @code{pid_t}?}
629
630 A @code{tid_t} identifies a kernel thread, which may have a user
631 process running in it (if created with @func{process_execute}) or not
632 (if created with @func{thread_create}).  It is a data type used only
633 in the kernel.
634
635 A @code{pid_t} identifies a user process.  It is used by user
636 processes and the kernel in the @code{exec} and @code{join} system
637 calls.
638
639 You can choose whatever suitable types you like for @code{tid_t} and
640 @code{pid_t}.  By default, they're both @code{int}.  You can make them
641 a one-to-one mapping, so that the same values in both identify the
642 same process, or you can use a more complex mapping.  It's up to you.
643
644 @item
645 @b{I can't seem to figure out how to read from and write to user
646 memory. What should I do?}
647
648 The kernel must treat user memory delicately.  As part of a system
649 call, the user can pass to the kernel a null pointer, a pointer to
650 unmapped virtual memory, or a pointer to kernel virtual address space
651 (above @code{PHYS_BASE}).  All of these types of invalid pointers must
652 be rejected without harm to the kernel or other running processes.  At
653 your option, the kernel may handle invalid pointers by terminating the
654 process or returning from the system call with an error.
655
656 There are at least two reasonable ways to do this correctly.  The
657 first method is to ``verify then access'':@footnote{These terms are
658 made up for this document.  They are not standard terminology.} verify
659 the validity of a user-provided pointer, then dereference it.  If you
660 choose this route, you'll want to look at the functions in
661 @file{userprog/pagedir.c} and in @file{threads/mmu.h}.  This is the
662 simplest way to handle user memory access.
663
664 The second method is to ``assume and react'': directly dereference
665 user pointers, after checking that they point below @code{PHYS_BASE}.
666 Invalid user pointers will then cause a ``page fault'' that you can
667 handle by modifying the code for @func{page_fault} in
668 @file{userprog/exception.cc}.  This technique is normally faster
669 because it takes advantage of the processor's MMU, so it tends to be
670 used in real kernels (including Linux).
671
672 In either case, you need to make sure not to ``leak'' resources.  For
673 example, suppose that your system call has acquired a lock or
674 allocated a page of memory.  If you encounter an invalid user pointer
675 afterward, you must still be sure to release the lock or free the page
676 of memory.  If you choose to ``verify then access,'' then this should
677 be straightforward, but for ``assume and react'' it's more difficult,
678 because there's no way to return an error code from a memory access.
679 Therefore, for those who want to try the latter technique, we'll
680 provide a little bit of helpful code:
681
682 @verbatim
683 /* Tries to copy a byte from user address USRC to kernel address DST.
684    Returns true if successful, false if USRC is invalid. */
685 static inline bool get_user (uint8_t *dst, const uint8_t *usrc) {
686   int eax;
687   asm ("mov %%eax, offset 1f; mov %%al, %2; mov %0, %%al; 1:"
688        : "=m" (*dst), "=&a" (eax) : "m" (*usrc));
689   return eax != 0;
690 }
691
692 /* Tries write BYTE to user address UDST.
693    Returns true if successful, false if UDST is invalid. */
694 static inline bool put_user (uint8_t *udst, uint8_t byte) {
695   int eax;
696   asm ("mov %%eax, offset 1f; mov %0, %b2; 1:"
697        : "=m" (*udst), "=&a" (eax) : "r" (byte));
698   return eax != 0;
699 }
700 @end verbatim
701
702 Each of these functions assumes that the user address has already been
703 verified to be below @code{PHYS_BASE}.  They also assume that you've
704 modified @func{page_fault} so that a page fault in the kernel causes
705 @code{eax} to be set to 0 and its former value copied into @code{eip}.
706
707 @item
708 @b{I'm also confused about reading from and writing to the stack. Can
709 you help?}
710
711 @itemize @bullet
712 @item
713 Only non-@samp{char} values will have issues when writing them to
714 memory.  If a digit is in a string, it is considered a character.
715 However, the value of @code{argc} would be a non-char.
716
717 @item
718 You will need to write characters and non-characters into main memory.
719
720 @item
721 When you add items to the stack, you will be decrementing the stack
722 pointer.  You'll need to decrement the stack pointer before writing to
723 the location.
724
725 @item
726 Each character is 1 byte.
727 @end itemize
728
729 @item
730 @b{Why doesn't keyboard input work with @samp{pintos -v}?}
731
732 Serial input isn't implemented.  Don't use @samp{pintos -v} if you
733 want to use the shell or otherwise provide keyboard input.
734 @end enumerate
735
736 @menu
737 * Problem 2-1 Argument Passing FAQ::  
738 * Problem 2-2 System Calls FAQ::  
739 @end menu
740
741 @node Problem 2-1 Argument Passing FAQ
742 @subsection Problem 2-1: Argument Passing FAQ
743
744 @enumerate 1
745 @item
746 @b{Why is the top of the stack at @t{0xc0000000}?  Isn't that off the
747 top of user virtual memory?  Shouldn't it be @t{0xbfffffff}?}
748
749 When the processor pushes data on the stack, it decrements the stack
750 pointer first.  Thus, the first (4-byte) value pushed on the stack
751 will be at address @t{0xbffffffc}.
752
753 Also, the stack should always be aligned to a 4-byte boundary, but
754 @t{0xbfffffff} isn't.
755
756 @item
757 @b{Is @code{PHYS_BASE} fixed?}
758
759 No.  You should be able to support @code{PHYS_BASE} values that are
760 any multiple of @t{0x10000000} from @t{0x80000000} to @t{0xc0000000},
761 simply via recompilation.
762 @end enumerate
763
764 @node Problem 2-2 System Calls FAQ
765 @subsection Problem 2-2: System Calls FAQ
766
767 @enumerate 1
768 @item
769 @b{Can I just cast a pointer to a @struct{file} object to get a
770 unique file descriptor?  Can I just cast a @code{struct thread *} to a
771 @code{pid_t}?  It's so much simpler that way!}
772
773 This is a design decision you will have to make for yourself.
774 However, note that most operating systems do distinguish between file
775 descriptors (or pids) and the addresses of their kernel data
776 structures.  You might want to give some thought as to why they do so
777 before committing yourself.
778
779 @item
780 @b{Can I set a maximum number of open files per process?}
781
782 From a design standpoint, it would be better not to set an arbitrary
783 maximum.  That said, if your design calls for it, you may impose a
784 limit of 128 open files per process (as the Solaris machines here do).
785
786 @item
787 @anchor{Removing an Open File}
788 @b{What happens when two (or more) processes have a file open and one of
789 them removes it?}
790
791 You should copy the standard Unix semantics for files.  That is, when
792 a file is removed an process which has a file descriptor for that file
793 may continue to do operations on that descriptor.  This means that
794 they can read and write from the file.  The file will not have a name,
795 and no other processes will be able to open it, but it will continue
796 to exist until all file descriptors referring to the file are closed
797 or the machine shuts down.
798
799 @item
800 @b{I've discovered that some of my user programs need more than one 4
801 kB page of stack space.  What should I do?}
802
803 You may modify the stack setup code to allocate more than one page of
804 stack space for each process.
805 @end enumerate
806
807 @node 80x86 Calling Convention
808 @section 80@var{x}86 Calling Convention
809
810 What follows is a quick and dirty discussion of the 80@var{x}86
811 calling convention.  Some of the basics should be familiar from CS
812 107, and if you've already taken CS 143 or EE 182, then you should
813 have seen even more of it.  I've omitted some of the complexity, since
814 this isn't a class in how function calls work, so don't expect this to
815 be exactly correct in full, gory detail.  If you do want all the
816 details, you can refer to @bibref{SysV-i386}.
817
818 Whenever a function call happens, you need to put the arguments on the
819 call stack for that function, before the code for that function
820 executes, so that the callee has access to those values.  The caller
821 has to be responsible for this (be sure you understand why).
822 Therefore, when you compile a program, the assembly code emitted will
823 have in it, before every function call, a bunch of instructions that
824 prepares for the call in whatever manner is conventional for the
825 machine you're working on.  This includes saving registers as needed,
826 putting stuff on the stack, saving the location to return to somewhere
827 (so that when the callee finishes, it knows where the caller code is),
828 and some other bookkeeping stuff.  Then you do the jump to the
829 callee's code, and it goes along, assuming that the stack and
830 registers are prepared in the appropriate manner.  When the callee is
831 done, it looks at the return location as saved earlier, and jumps back
832 to that location.  The caller may then have to do some cleanup:
833 clearing arguments and the return value off the stack, restoring
834 registers that were saved before the call, and so on.
835
836 If you think about it, some of these things should remind you of
837 context switching.
838
839 As an aside, in general, function calls are not cheap.  You have to do
840 a bunch of memory writes to prepare the stack, you need to save and
841 restore registers before and after a function call, you need to write
842 the stack pointer, you have a couple of jumps which probably wrecks
843 some of your caches.  This is why inlining code can be much faster.
844
845 @menu
846 * Argument Passing to main::    
847 @end menu
848
849 @node Argument Passing to main
850 @subsection Argument Passing to @code{main()}
851
852 In @func{main}'s case, there is no caller to prepare the stack
853 before it runs.  Therefore, the kernel needs to do it.  Fortunately,
854 since there's no caller, there are no registers to save, no return
855 address to deal with, etc.  The only difficult detail to take care of,
856 after loading the code, is putting the arguments to @func{main} on
857 the stack.
858
859 (The above is a small lie: most compilers will emit code where main
860 isn't strictly speaking the first function.  This isn't an important
861 detail.  If you want to look into it more, try disassembling a program
862 and looking around a bit.  However, you can just act as if
863 @func{main} is the very first function called.)
864
865 Pintos is written for the 80@var{x}86 architecture.  Therefore, we
866 need to adhere to the 80@var{x}86 calling convention.  Basically, you
867 put all the arguments on the stack and move the stack pointer
868 appropriately.  You also need to insert space for the function's
869 ``return address'': even though the initial function doesn't really
870 have a caller, its stack frame must have the same layout as any other
871 function's.  The program will assume that the stack has been laid out
872 this way when it begins running.
873
874 So, what are the arguments to @func{main}? Just two: an @samp{int}
875 (@code{argc}) and a @samp{char **} (@code{argv}).  @code{argv} is an
876 array of strings, and @code{argc} is the number of strings in that
877 array.  However, the hard part isn't these two things.  The hard part
878 is getting all the individual strings in the right place.  As we go
879 through the procedure, let us consider the following example command:
880 @samp{/bin/ls -l foo bar}.
881
882 The first thing to do is to break the command line into individual
883 strings: @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}.  These
884 constitute the arguments of the command, including the program name
885 itself (which belongs in @code{argv[0]}).
886
887 These individual, null-terminated strings should be placed on the user
888 stack.  They may be placed in any order, as you'll see shortly,
889 without affecting how main works, but for simplicity let's assume they
890 are in reverse order (keeping in mind that the stack grows downward on
891 an 80@var{x}86 machine).  As we copy the strings onto the stack, we
892 record their (virtual) stack addresses.  These addresses will become
893 important when we write the argument vector (two paragraphs down).
894
895 After we push all of the strings onto the stack, we adjust the stack
896 pointer so that it is word-aligned: that is, we move it down to the
897 next 4-byte boundary.  This is required because we will next be
898 placing several words of data on the stack, and they must be aligned
899 to be read correctly.  In our example, as you'll see below,
900 the strings start at address @t{0xffed}.  One word below that would be
901 at @t{0xffe9}, so we could in theory put the next word on the stack
902 there.  However, since the stack pointer should always be
903 word-aligned, we instead leave the stack pointer at @t{0xffe8}.
904
905 Once we align the stack pointer, we then push the elements of the
906 argument vector, that is, a null pointer, then the addresses of the
907 strings @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}) onto
908 the stack.  This must be done in reverse order, such that
909 @code{argv[0]} is at the lowest virtual address, again because the
910 stack is growing downward.  (The null pointer pushed first is because
911 @code{argv[argc]} must be a null pointer.)  This is because we are now
912 writing the actual array of strings; if we write them in the wrong
913 order, then the strings will be in the wrong order in the array.  This
914 is also why, strictly speaking, it doesn't matter what order the
915 strings themselves are placed on the stack: as long as the pointers
916 are in the right order, the strings themselves can really be anywhere.
917 After we finish, we note the stack address of the first element of the
918 argument vector, which is @code{argv} itself.
919
920 Then we push @code{argv} (that is, the address of the first element of
921 the @code{argv} array) onto the stack, along with the length of the
922 argument vector (@code{argc}, 4 in this example).  This must also be
923 done in this order, since @code{argc} is the first argument to
924 @func{main} and therefore is on first (smaller address) on the
925 stack.  Finally, we push a fake ``return address'' and leave the stack
926 pointer to point to its location.
927
928 All this may sound very confusing, so here's a picture which will
929 hopefully clarify what's going on. This represents the state of the
930 stack and the relevant registers right before the beginning of the
931 user program (assuming for this example that the stack bottom is
932 @t{0xc0000000}):
933
934 @html
935 <CENTER>
936 @end html
937 @multitable {@t{0xbfffffff}} {``return address''} {@t{/bin/ls\0}}
938 @item Address @tab Name @tab Data
939 @item @t{0xbffffffc} @tab @code{*argv[3]} @tab @samp{bar\0}
940 @item @t{0xbffffff8} @tab @code{*argv[2]} @tab @samp{foo\0}
941 @item @t{0xbffffff5} @tab @code{*argv[1]} @tab @samp{-l\0}
942 @item @t{0xbfffffed} @tab @code{*argv[0]} @tab @samp{/bin/ls\0}
943 @item @t{0xbfffffec} @tab word-align @tab @samp{\0}
944 @item @t{0xbfffffe8} @tab @code{argv[4]} @tab @t{0}
945 @item @t{0xbfffffe4} @tab @code{argv[3]} @tab @t{0xbffffffc}
946 @item @t{0xbfffffe0} @tab @code{argv[2]} @tab @t{0xbffffff8}
947 @item @t{0xbfffffdc} @tab @code{argv[1]} @tab @t{0xbffffff5}
948 @item @t{0xbfffffd8} @tab @code{argv[0]} @tab @t{0xbfffffed}
949 @item @t{0xbfffffd4} @tab @code{argv} @tab @t{0xbfffffd8}
950 @item @t{0xbfffffd0} @tab @code{argc} @tab 4
951 @item @t{0xbfffffcc} @tab ``return address'' @tab 0
952 @end multitable
953 @html
954 </CENTER>
955 @end html
956
957 In this example, the stack pointer would be initialized to
958 @t{0xbfffffcc}.
959
960 As shown above, your code should start the stack at the very top of
961 the user virtual address space, in the page just below virtual address
962 @code{PHYS_BASE} (defined in @file{threads/mmu.h}).
963
964 You may find the non-standard @func{hex_dump} function, declared in
965 @file{<stdio.h>}, useful for debugging your argument passing code.
966 Here's what it would show in the above example, given that
967 @code{PHYS_BASE} is @t{0xc0000000}:
968
969 @verbatim
970 bfffffc0                                      00 00 00 00 |            ....|
971 bfffffd0  04 00 00 00 d8 ff ff bf-ed ff ff bf f5 ff ff bf |................|
972 bfffffe0  f8 ff ff bf fc ff ff bf-00 00 00 00 00 2f 62 69 |............./bi|
973 bffffff0  6e 2f 6c 73 00 2d 6c 00-66 6f 6f 00 62 61 72 00 |n/ls.-l.foo.bar.|
974 @end verbatim
975
976 @node System Calls
977 @section System Calls
978
979 We have already been dealing with one way that the operating system
980 can regain control from a user program: interrupts from timers and I/O
981 devices.  These are ``external'' interrupts, because they are caused
982 by entities outside the CPU.
983
984 The operating system is also called to deal with software exceptions,
985 which are events generated in response to the code.  These can be
986 errors such as a page fault or division by zero.  However, exceptions
987 are also the means by which a user program can request services
988 (``system calls'') from the operating system.
989
990 In the 80@var{x}86 architecture, the @samp{int} instruction is the
991 most commonly used means for invoking system calls.  This instruction
992 is handled in the same way as other software exceptions.  In Pintos,
993 user programs invoke @samp{int $0x30} to make a system call.  The
994 system call number and any additional arguments are expected to be
995 pushed on the stack in the normal fashion before invoking the
996 interrupt.
997
998 The normal calling convention pushes function arguments on the stack
999 from right to left and the stack grows downward.  Thus, when the
1000 system call handler @func{syscall_handler} gets control, the system
1001 call number is in the 32-bit word at the caller's stack pointer, the
1002 first argument is in the 32-bit word at the next higher address, and
1003 so on.  The caller's stack pointer is accessible to
1004 @func{syscall_handler} as the @samp{esp} member of the @code{struct
1005 intr_frame} passed to it.
1006
1007 Here's an example stack frame for calling a system call numbered 10
1008 with three arguments passed as 1, 2, and 3.  The stack addresses are
1009 arbitrary:
1010
1011 @html
1012 <CENTER>
1013 @end html
1014 @multitable {@t{0xbffffe7c}} {Value}
1015 @item Address @tab Value
1016 @item @t{0xbffffe7c} @tab 3
1017 @item @t{0xbffffe78} @tab 2
1018 @item @t{0xbffffe74} @tab 1
1019 @item @t{0xbffffe70} @tab 10
1020 @end multitable
1021 @html
1022 </CENTER>
1023 @end html
1024
1025 In this example, the caller's stack pointer would be at
1026 @t{0xbffffe70}.
1027
1028 The 80@var{x}86 convention for function return values is to place them
1029 in the @samp{EAX} register.  System calls that return a value can do
1030 so by modifying the @samp{eax} member of @struct{intr_frame}.
1031
1032 You should try to avoid writing large amounts of repetitive code for
1033 implementing system calls.  Each system call argument, whether an
1034 integer or a pointer, takes up 4 bytes on the stack.  You should be able
1035 to take advantage of this to avoid writing much near-identical code for
1036 retrieving each system call's arguments from the stack.