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