Revise.
[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.  Your submission
19 should define @code{THREAD_JOIN_IMPLEMENTED} in @file{constants.h}
20 (@pxref{Conditional Compilation}).
21
22 Up to now, all of the code you have written for Pintos has been part
23 of the operating system kernel.  This means, for example, that all the
24 test code from the last assignment ran as part of the kernel, with
25 full access to privileged parts of the system.  Once we start running
26 user programs on top of the operating system, this is no longer true.
27 This project deals with consequences of the change.
28
29 We allow more than one user program to run at a time.  Because user
30 programs are written and compiled to work under the illusion that they
31 have the entire machine, when you load into memory and run more than
32 one process at a time, you must manage things correctly to maintain
33 this illusion.
34
35 Before we delve into the details of the new code that you'll be
36 working with, you should probably undo the test cases from project 1.
37
38 @menu
39 * Project 2 Code::              
40 * Using the File System::       
41 * How User Programs Work::      
42 * Virtual Memory Layout::       
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 process.c
61 @itemx process.h
62 Loads ELF binaries and starts processes.
63
64 @item pagedir.c
65 @itemx pagedir.h
66 A simple manager for 80@var{x} page directories and page tables.
67 Although you probably won't want to modify this code for this project,
68 you may want to call some of its functions.  In particular,
69 @func{pagedir_get_page} may be helpful for accessing user memory.
70
71 @item syscall.c
72 @itemx syscall.h
73 Whenever a user process wants to access some kernel functionality, it
74 needs to do so via a system call.  This is a skeleton system call
75 handler.  Currently, it just prints a message and terminates the user
76 process.  In part 2 of this project you will add code to do everything
77 else needed by system calls.
78
79 @item exception.c
80 @itemx exception.h
81 When a user process performs a privileged or prohibited operation, it
82 traps into the kernel as an ``exception'' or ``fault.''@footnote{We
83 will treat these terms as synonymous.  There is no standard
84 distinction between them, although the Intel processor manuals define
85 them slightly differently on 80@var{x}86.}  These files handle
86 exceptions.  Currently all exceptions simply print a message and
87 terminate the process.  Some, but not all, solutions to project 2
88 require modifying @func{page_fault} in this file.
89
90 @item gdt.c
91 @itemx gdt.c
92 The 80@var{x}86 is a segmented architecture.  The Global Descriptor
93 Table (GDT) is a table that describes the segments in use.  These
94 files set up the GDT.  @strong{You should not need to modify these
95 files for any of the projects.}  However, you can read the code if
96 you're interested in how the GDT works.
97
98 @item tss.c
99 @itemx tss.c
100 The Task-State Segment (TSS) is used for 80@var{x}86 architectural
101 task switching.  Pintos uses the TSS only for switching stacks when a
102 user process enters an interrupt handler, as does Linux.  @strong{You
103 should not need to modify these files for any of the projects.}
104 However, you can read the code if you're interested in how the TSS
105 works.
106 @end table
107
108 Finally, in @file{lib/kernel}, you might want to use
109 @file{bitmap.[ch]}.  A bitmap is basically an array of bits, each of
110 which can be true or false.  Bitmaps are typically used to keep track
111 of the usage of a large array of (identical) resources: if resource
112 @var{n} is in use, then bit @var{n} of the bitmap is true.  You might
113 find it useful for tracking memory pages, for example.
114
115 @node Using the File System
116 @section Using the File System
117
118 You will need to use some file system code for this project.  First,
119 user programs are loaded from the file system.  Second, many of the
120 system calls you must implement deal with the file system.  However,
121 the focus of this project is not on the file system code, so we have
122 provided a simple file system in the @file{filesys} directory.  You
123 will want to look over the @file{filesys.h} and @file{file.h}
124 interfaces to understand how to use the file system, and especially
125 its many limitations.  @strong{You should not modify the file system
126 code for this project}.  Proper use of the file system routines now
127 will make life much easier for project 4, when you improve the file
128 system implementation.
129
130 You need to be able to create and format simulated disks.  The
131 @command{pintos} program provides this functionality with its
132 @option{make-disk} command.  From the @file{userprog/build} directory,
133 execute @code{pintos make-disk fs.dsk 2}.  This command creates a 2 MB
134 simulated disk named @file{fs.dsk}.  (It does not actually start
135 Pintos.)  Then format the disk by passing the @option{-f} option to
136 Pintos on the kernel's command line: @code{pintos run -f}.
137
138 You'll need a way to get files in and out of the simulated file
139 system.  The @code{pintos} @option{put} and @option{get} commands are
140 designed for this.  To copy @file{@var{file}} into the Pintos file
141 system, use the command @file{pintos put @var{file}}.  To copy it to
142 the Pintos file system under the name @file{@var{newname}}, add the
143 new name to the end of the command: @file{pintos put @var{file}
144 @var{newname}}.  The commands for copying files out of a VM are
145 similar, but substitute @option{get} for @option{get}.
146
147 Incidentally, these commands work by passing special options
148 @option{-ci} and @option{-co} on the kernel's command line and copying
149 to and from a special simulated disk named @file{scratch.dsk}.  If
150 you're very curious, you can look at the @command{pintos} program as
151 well as @file{filesys/fsutil.c} to learn the implementation details,
152 but it's really not relevant for this project.
153
154 Here's a summary of how you would create and format a disk, copy the
155 @command{echo} program into the new disk, and then run @command{echo}.
156 It assumes that you've already built the tests in
157 @file{tests/userprog} and that the current directory is
158 @file{userprog/build}:
159
160 @example
161 pintos make-disk fs.dsk 2
162 pintos run -f
163 pintos put ../../tests/userprog/echo echo
164 pintos run -ex echo
165 @end example
166
167 You can delete a file from the Pintos file system using the @option{-r
168 @var{file}} kernel option, e.g.@: @code{pintos run -r @var{file}}.
169 Also, @option{-ls} lists the files in the file system and @option{-p
170 @var{file}} prints a file's contents to the display.
171
172 @node How User Programs Work
173 @section How User Programs Work
174
175 Pintos can run normal C programs.  In fact, it can run any program you
176 want, provided it's compiled into the proper file format, and uses
177 only the system calls you implement.  (For example, @func{malloc}
178 makes use of functionality that isn't provided by any of the syscalls
179 we require you to support.)  The only other limitation is that Pintos
180 can't run programs using floating point operations, since it doesn't
181 include the necessary kernel functionality to save and restore the
182 processor's floating-point unit when switching threads.  You can look
183 in @file{tests/userprog} directory for some examples.
184
185 Pintos loads ELF executables, where ELF is an executable format used
186 by Linux, Solaris, and many other Unix and Unix-like systems.
187 Therefore, you can use any compiler and linker that produce
188 80@var{x}86 ELF executables to produce programs for Pintos.  We
189 recommend using the tools we provide in the @file{tests/userprog}
190 directory.  By default, the @file{Makefile} in this directory will
191 compile the test programs we provide.  You can edit the
192 @file{Makefile} to compile your own test programs as well.
193
194 One thing you should realize immediately is that, until you use the
195 above operation to copy a test program to the emulated disk, Pintos
196 will be unable to do very much useful work.  You will also find that
197 you won't be able to do interesting things until you copy a variety of
198 programs to the disk.  A useful technique is to create a clean
199 reference disk and copy that over whenever you trash your
200 @file{fs.dsk} beyond a useful state, which may happen occasionally
201 while debugging.
202
203 @node Virtual Memory Layout
204 @section Virtual Memory Layout
205
206 Virtual memory in Pintos is divided into two regions: user virtual
207 memory and kernel virtual memory.  User virtual memory ranges from
208 virtual address 0 up to @code{PHYS_BASE}, which is defined in
209 @file{threads/mmu.h} and defaults to @t{0xc0000000} (3 GB).  Kernel
210 virtual memory occupies the rest of the virtual address space, from
211 @code{PHYS_BASE} up to 4 GB.
212
213 User virtual memory is per-process.  Conceptually, each process is
214 free to use the entire space of user virtual memory however it
215 chooses.  When the kernel switches from one process to another, it
216 also switches user virtual address spaces by switching the processor's
217 page directory base register (see @func{pagedir_activate in
218 @file{userprog/pagedir.c}}.  @struct{thread} contains a pointer to a
219 process's page directory.
220
221 Kernel virtual memory is global.  It is always mapped the same way,
222 regardless of what user process or kernel thread is running.  In
223 Pintos, kernel virtual memory is mapped one-to-one to physical
224 memory.  That is, virtual address @code{PHYS_ADDR} accesses physical
225 address 0, virtual address @code{PHYS_ADDR} + @t{0x1234} access
226 physical address @t{0x1234}, and so on up to the size of the machine's
227 physical memory.
228
229 User programs can only access user virtual memory.  An attempt to
230 access kernel virtual memory will cause a page fault, handled by
231 @func{page_fault} in @file{userprog/exception.c}, and the process
232 will be terminated.  Kernel threads can access both kernel virtual
233 memory and, if a user process is running, the user virtual memory of
234 the running process.  However, even in the kernel, an attempt to
235 access memory at a user virtual address that doesn't have a page
236 mapped into it will cause a page fault.
237
238 You must handle memory fragmentation gracefully, that is, a process
239 that needs @var{N} pages of memory must not require that all @var{N}
240 be contiguous.  In fact, it must not require that any of the pages be
241 contiguous.
242
243 @node Global Requirements
244 @section Global Requirements
245
246 For testing and grading purposes, we have some simple overall
247 requirements:
248
249 @itemize @bullet
250 @item
251 The kernel should print out the program's name and exit status
252 whenever a process exits, e.g.@: @code{shell: exit(-1)}.  The name
253 printed should be the full name passed to @func{process_execute},
254 except that it is acceptable to truncate it to 15 characters to allow
255 for the limited space in @struct{thread}.
256
257 @item
258 Aside from this, the kernel should print out no other messages that
259 Pintos as provided doesn't already print.  You
260 may understand all those debug messages, but we won't, and it just
261 clutters our ability to see the stuff we care about.
262
263 @item
264 Additionally, while it may be useful to hard-code which process will
265 run at startup while debugging, before you submit your code you must
266 make sure that it takes the start-up process name and arguments from
267 the @samp{-ex} argument.  For example, running @code{pintos run -ex
268 "testprogram 1 2 3 4"} will spawn @samp{testprogram 1 2 3 4} as the
269 first process.
270 @end itemize
271
272 @node Problem 2-1 Argument Passing
273 @section Problem 2-1: Argument Passing
274
275 Currently, @func{process_execute} does not support passing arguments
276 to new processes.  UNIX and other operating systems do allow passing
277 command line arguments to a program, which accesses them via the argc,
278 argv arguments to main.  You must implement this functionality by
279 extending @func{process_execute} so that instead of simply taking a
280 program file name as its argument, it divides it into words at spaces.
281 The first word is the program name, the second word is the first
282 argument, and so on.  That is, @code{process_execute("grep foo bar")}
283 should run @command{grep} passing two arguments @code{foo} and
284 @file{bar}.  A few details:
285
286 @itemize
287 @item
288 Multiple spaces are considered the same as a single space, so that
289 @code{process_execute("grep foo bar")} would be equivalent to our
290 original example.
291
292 @item
293 You can impose a reasonable limit on the length of the command line
294 arguments.  For example, you could limit the arguments to those that
295 will fit in a single page (4 kB).
296
297 @item
298 You can parse the argument strings any way you like.  If you're lost,
299 look at @func{strtok_r}, prototyped in @file{lib/string.h} and
300 implemented with thorough comments in @file{lib/string.c}.  You can
301 find more about it by looking at the man page (run @code{man strtok_r}
302 at the prompt).
303
304 @item
305 @xref{80x86 Calling Convention}, for information on exactly how you
306 need to set up the stack.
307 @end itemize
308
309 @strong{This functionality is extremely important.}  Almost all our
310 test cases rely on being able to pass arguments, so if you don't get
311 this right, a lot of things will not appear to work correctly with our
312 tests.  If the tests fail, so do you.  Fortunately, this part
313 shouldn't be too hard.
314
315 @node Problem 2-2 System Calls
316 @section Problem 2-2: System Calls
317
318 Implement the system call handler in @file{userprog/syscall.c} to
319 properly deal with all the system calls described below.  Currently,
320 it ``handles'' system calls by terminating the process.  You will need
321 to decipher system call arguments and take the appropriate action for
322 each.
323
324 You are required to support the following system calls, whose syscall
325 numbers are defined in @file{lib/syscall-nr.h} and whose C functions
326 called by user programs are prototyped in @file{lib/user/syscall.h}:
327
328 @table @code
329 @item SYS_halt
330 @itemx void halt (void)
331 Stops Pintos by calling @func{power_off} (declared in
332 @file{threads/init.h}).  Note that this should be seldom used, since
333 then you lose some information about possible deadlock situations,
334 etc.
335
336 @item SYS_exit
337 @itemx void exit (int @var{status})
338 Terminates the current user program, returning @var{status} to the
339 kernel.  If the process's parent @func{join}s it, this is the status
340 that will be returned.  Conventionally, a @var{status} of 0 indicates
341 a successful exit.  Other values may be used to indicate user-defined
342 conditions (usually errors).
343
344 @item SYS_exec
345 @itemx pid_t exec (const char *@var{file})
346 Run the executable in @var{file} and return the new process's program
347 id (pid).  If there is an error loading this program, returns pid -1,
348 which otherwise should not be a valid id number.
349
350 @item SYS_join
351 @itemx int join (pid_t @var{pid})
352 Joins the process @var{pid}, using the join rules from the last
353 assignment, and returns the process's exit status.  If the process was
354 terminated by the kernel (i.e.@: killed due to an exception), the exit
355 status should be -1.  If the process was not a child of the calling
356 process, the return value is undefined (but kernel operation must not
357 be disrupted).
358
359 @item SYS_create
360 @itemx bool create (const char *@var{file}, unsigned @var{initial_size})
361 Create a new file called @var{file} initially @var{initial_size} bytes
362 in size.  Returns -1 if failed, 0 if OK.
363
364 @item SYS_remove
365 @itemx bool remove (const char *@var{file})
366 Delete the file called @var{file}.  Returns -1 if failed, 0 if OK.
367
368 @item SYS_open
369 @itemx int open (const char *@var{file})
370 Open the file called @var{file}.  Returns a nonnegative integer handle
371 called a ``file descriptor'' (fd), or -1 if the file could not be
372 opened.  All open files associated with a process should be closed
373 when the process exits or is terminated.
374
375 File descriptors numbered 0 and 1 are reserved for the console: fd 0
376 is standard input (@code{stdin}), fd 1 is standard output
377 (@code{stdout}).  These special file descriptors are valid as system
378 call arguments only as explicitly described below.
379
380 @item SYS_filesize
381 @itemx int filesize (int @var{fd})
382 Returns the size, in bytes, of the file open as @var{fd}.
383
384 @item SYS_read
385 @itemx int read (int @var{fd}, void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
386 Read @var{size} bytes from the file open as @var{fd} into
387 @var{buffer}.  Returns the number of bytes actually read, or -1 if the
388 file could not be read.  Fd 0 reads from the keyboard using
389 @func{kbd_getc}.
390
391 @item SYS_write
392 @itemx int write (int @var{fd}, const void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
393 Write @var{size} bytes from @var{buffer} to the open file @var{fd}.
394 Returns the number of bytes actually written, or -1 if the file could
395 not be written.   Fd 1 writes to the console.
396
397 @item SYS_seek
398 @itemx void seek (int @var{fd}, unsigned @var{position})
399 Changes the next byte to be read or written in open file @var{fd} to
400 @var{position}, expressed in bytes from the beginning of the file.
401 (Thus, a @var{position} of 0 is the file's start.)
402
403 @item SYS_tell
404 @itemx unsigned tell (int @var{fd})
405 Returns the position of the next byte to be read or written in open
406 file @var{fd}, expressed in bytes from the beginning of the file.
407
408 @item SYS_close
409 @itemx void close (int @var{fd})
410 Close file descriptor @var{fd}.
411 @end table
412
413 The file defines other syscalls.  Ignore them for now.  You will
414 implement some of them in project 3 and the rest in project 4, so be
415 sure to design your system with extensibility in mind.
416
417 To implement syscalls, you will need to provide a way of copying data
418 from the user's virtual address space into the kernel and vice versa.
419 This can be a bit tricky: what if the user provides an invalid
420 pointer, a pointer into kernel memory, or points to a block that is
421 partially in one of those regions?  You should handle these cases by
422 terminating the user process.  You will need this code before you can
423 even obtain the system call number, because the system call number is
424 on the user's stack in the user's virtual address space.  We recommend
425 writing and testing this code before implementing any other system
426 call functionality.
427
428 You must make sure that system calls are properly synchronized so that
429 any number of user processes can make them at once.  In particular, it
430 is not safe to call into the filesystem code provided in the
431 @file{filesys} directory from multiple threads at once.  For now, we
432 recommend adding a single lock that controls access to the filesystem
433 code.  You should acquire this lock before calling any functions in
434 the @file{filesys} directory, and release it afterward.  Don't forget
435 that @func{process_execute} also accesses files.  @strong{For now, we
436 recommend against modifying code in the @file{filesys} directory.}
437
438 We have provided you a function for each system call in
439 @file{lib/user/syscall.c}.  These provide a way for user processes to
440 invoke each system call from a C program.  Each of them calls an
441 assembly language routine in @file{lib/user/syscall-stub.S}, which in
442 turn invokes the system call interrupt and returns.
443
444 When you're done with this part, and forevermore, Pintos should be
445 bulletproof.  Nothing that a user program can do should ever cause the
446 OS to crash, halt, assert fail, or otherwise stop running.  The sole
447 exception is a call to the @code{halt} system call.
448
449 If a system call is passed an invalid argument, acceptable options
450 include returning an error value (for those calls that return a
451 value), returning an undefined value, or terminating the process.
452
453 @xref{System Calls}, for more information on how syscalls work.
454
455 @node User Programs FAQ
456 @section FAQ
457
458 @enumerate 1
459 @item
460 @b{Do we need a working project 1 to implement project 2?}
461
462 You may find the code for @func{thread_join} to be useful in
463 implementing the join syscall, but besides that, you can use
464 the original code provided for project 1.
465
466 @item
467 @b{@samp{pintos put} always panics.}
468
469 Here are the most common causes:
470
471 @itemize @bullet
472 @item
473 The disk hasn't yet been formatted (with @samp{pintos run -f}).
474
475 @item
476 The filename specified is too long.  The file system limits file names
477 to 14 characters.  If you're using a command like @samp{pintos put
478 ../../tests/userprog/echo}, that overflows the limit.  Use
479 @samp{pintos put ../../tests/userprog/echo echo} to put the file under
480 the name @file{echo} instead.
481
482 @item
483 The file is too big.  The file system has a 63 kB limit.
484 @end itemize
485
486 @item
487 @b{All my user programs die with page faults.}
488
489 This will generally happen if you haven't implemented problem 2-1
490 yet.  The reason is that the basic C library for user programs tries
491 to read @var{argc} and @var{argv} off the stack.  Because the stack
492 isn't properly set up yet, this causes a page fault.
493
494 @item
495 @b{I implemented 2-1 and now all my user programs die with
496 @samp{system call!}.}
497
498 Every reasonable program tries to make at least one system call
499 (@func{exit}) and most programs make more than that.  The default
500 system call handler just prints @samp{system call!} and terminates the
501 program.  You'll have to implement 2-2 before you see anything more
502 interesting.  Until then, you can use @func{hex_dump} to convince
503 yourself that 2-1 is implemented correctly (@pxref{Argument Passing to
504 main}).
505
506 @item
507 @b{Is there a way I can disassemble user programs?}
508
509 The @command{i386-elf-objdump} utility can disassemble entire user
510 programs or object files.  Invoke it as @code{i386-elf-objdump -d
511 @var{file}}.  You can also use @code{i386-elf-gdb}'s
512 @command{disassemble} command to disassemble individual functions in
513 object files compiled with debug information.
514
515 @item
516 @b{Why can't I use many C include files in my Pintos programs?}
517
518 The C library we provide is very limited.  It does not include many of
519 the features that are expected of a real operating system's C library.
520 The C library must be built specifically for the operating system (and
521 architecture), since it must make system calls for I/O and memory
522 allocation.  (Not all functions do, of course, but usually the library
523 is compiled as a unit.)
524
525 @item
526 @b{Can I use lib@var{foo} in my Pintos programs?}
527
528 The chances are good that lib@var{foo} uses parts of the C library
529 that Pintos doesn't implement.  It will probably take at least some
530 porting effort to make it work under Pintos.  Notably, the Pintos
531 userland C library does not have a @func{malloc} implementation.
532
533 @item
534 @b{How do I compile new user programs?}
535
536 You need to modify @file{tests/Makefile}.
537
538 @item
539 @b{What's the difference between @code{tid_t} and @code{pid_t}?}
540
541 A @code{tid_t} identifies a kernel thread, which may have a user
542 process running in it (if created with @func{process_execute}) or not
543 (if created with @func{thread_create}).  It is a data type used only
544 in the kernel.
545
546 A @code{pid_t} identifies a user process.  It is used by user
547 processes and the kernel in the @code{exec} and @code{join} system
548 calls.
549
550 You can choose whatever suitable types you like for @code{tid_t} and
551 @code{pid_t}.  By default, they're both @code{int}.  You can make them
552 a one-to-one mapping, so that the same values in both identify the
553 same process, or you can use a more complex mapping.  It's up to you.
554
555 @item
556 @b{I can't seem to figure out how to read from and write to user
557 memory. What should I do?}
558
559 The kernel must treat user memory delicately.  As part of a system
560 call, the user can pass to the kernel a null pointer, a pointer to
561 unmapped virtual memory, or a pointer to kernel virtual address space
562 (above @code{PHYS_BASE}).  All of these types of invalid pointers must
563 be rejected without harm to the kernel or other running processes.  At
564 your option, the kernel may handle invalid pointers by terminating the
565 process or returning from the system call with an error.
566
567 There are at least two reasonable ways to do this correctly.  The
568 first method is to ``verify then access'':@footnote{These terms are
569 made up for this document.  They are not standard terminology.} verify
570 the validity of a user-provided pointer, then dereference it.  If you
571 choose this route, you'll want to look at the functions in
572 @file{userprog/pagedir.c} and in @file{threads/mmu.h}.  This is the
573 simplest way to handle user memory access.
574
575 The second method is to ``assume and react'': directly dereference
576 user pointers, after checking that they point below @code{PHYS_BASE}.
577 Invalid user pointers will then cause a ``page fault'' that you can
578 handle by modifying the code for @func{page_fault} in
579 @file{userprog/exception.cc}.  This technique is normally faster
580 because it takes advantage of the processor's MMU, so it tends to be
581 used in real kernels (including Linux).
582
583 In either case, you need to make sure not to ``leak'' resources.  For
584 example, suppose that your system call has acquired a lock or
585 allocated a page of memory.  If you encounter an invalid user pointer
586 afterward, you must still be sure to release the lock or free the page
587 of memory.  If you choose to ``verify then access,'' then this should
588 be straightforward, but for ``assume and react'' it's more difficult,
589 because there's no way to return an error code from a memory access.
590 Therefore, for those who want to try the latter technique, we'll
591 provide a little bit of helpful code:
592
593 @verbatim
594 /* Tries to copy a byte from user address USRC to kernel address DST.
595    Returns true if successful, false if USRC is invalid. */
596 static inline bool get_user (uint8_t *dst, const uint8_t *usrc) {
597   int eax;
598   asm ("movl $1f, %%eax; movb %2, %%al; movb %%al, %0; 1:"
599        : "=m" (*dst), "=&a" (eax) : "m" (*usrc));
600   return eax != 0;
601 }
602
603 /* Tries write BYTE to user address UDST.
604    Returns true if successful, false if UDST is invalid. */
605 static inline bool put_user (uint8_t *udst, uint8_t byte) {
606   int eax;
607   asm ("movl $1f, %%eax; movb %b2, %0; 1:"
608        : "=m" (*udst), "=&a" (eax) : "r" (byte));
609   return eax != 0;
610 }
611 @end verbatim
612
613 Each of these functions assumes that the user address has already been
614 verified to be below @code{PHYS_BASE}.  They also assume that you've
615 modified @func{page_fault} so that a page fault in the kernel causes
616 @code{eax} to be set to 0 and its former value copied into @code{eip}.
617
618 @item
619 @b{I'm also confused about reading from and writing to the stack. Can
620 you help?}
621
622 @itemize @bullet
623 @item
624 Only non-@samp{char} values will have issues when writing them to
625 memory.  If a digit is in a string, it is considered a character.
626 However, the value of @code{argc} would be a non-char.
627
628 @item
629 You will need to write characters and non-characters into main memory.
630
631 @item
632 When you add items to the stack, you will be decrementing the stack
633 pointer.  You'll need to decrement the stack pointer before writing to
634 the location.
635
636 @item
637 Each character is 1 byte.
638 @end itemize
639
640 @item
641 @b{Why doesn't keyboard input work with @samp{pintos -v}?}
642
643 Serial input isn't implemented.  Don't use @samp{pintos -v} if you
644 want to use the shell or otherwise provide keyboard input.
645 @end enumerate
646
647 @menu
648 * Problem 2-1 Argument Passing FAQ::  
649 * Problem 2-2 System Calls FAQ::  
650 @end menu
651
652 @node Problem 2-1 Argument Passing FAQ
653 @subsection Problem 2-1: Argument Passing FAQ
654
655 @enumerate 1
656 @item
657 @b{Why is the top of the stack at @t{0xc0000000}?  Isn't that off the
658 top of user virtual memory?  Shouldn't it be @t{0xbfffffff}?}
659
660 When the processor pushes data on the stack, it decrements the stack
661 pointer first.  Thus, the first (4-byte) value pushed on the stack
662 will be at address @t{0xbffffffc}.
663
664 Also, the stack should always be aligned to a 4-byte boundary, but
665 @t{0xbfffffff} isn't.
666
667 @item
668 @b{Is @code{PHYS_BASE} fixed?}
669
670 No.  You should be able to support @code{PHYS_BASE} values that are
671 any multiple of @t{0x10000000} from @t{0x80000000} to @t{0xc0000000},
672 simply via recompilation.
673 @end enumerate
674
675 @node Problem 2-2 System Calls FAQ
676 @subsection Problem 2-2: System Calls FAQ
677
678 @enumerate 1
679 @item
680 @b{Can I just cast a pointer to a @struct{file} object to get a
681 unique file descriptor?  Can I just cast a @code{struct thread *} to a
682 @code{pid_t}?  It's so much simpler that way!}
683
684 This is a design decision you will have to make for yourself.
685 However, note that most operating systems do distinguish between file
686 descriptors (or pids) and the addresses of their kernel data
687 structures.  You might want to give some thought as to why they do so
688 before committing yourself.
689
690 @item
691 @b{Can I set a maximum number of open files per process?}
692
693 From a design standpoint, it would be better not to set an arbitrary
694 maximum.  That said, if your design calls for it, you may impose a
695 limit of 128 open files per process (as the Solaris machines here do).
696
697 @item
698 @anchor{Removing an Open File}
699 @b{What happens when two (or more) processes have a file open and one of
700 them removes it?}
701
702 You should copy the standard Unix semantics for files.  That is, when
703 a file is removed an process which has a file descriptor for that file
704 may continue to do operations on that descriptor.  This means that
705 they can read and write from the file.  The file will not have a name,
706 and no other processes will be able to open it, but it will continue
707 to exist until all file descriptors referring to the file are closed
708 or the machine shuts down.
709
710 @item
711 @b{I've discovered that some of my user programs need more than one 4
712 kB page of stack space.  What should I do?}
713
714 You may modify the stack setup code to allocate more than one page of
715 stack space for each process.
716 @end enumerate
717
718 @node 80x86 Calling Convention
719 @section 80@var{x}86 Calling Convention
720
721 What follows is a quick and dirty discussion of the 80@var{x}86
722 calling convention.  Some of the basics should be familiar from CS
723 107, and if you've already taken CS 143 or EE 182, then you should
724 have seen even more of it.  I've omitted some of the complexity, since
725 this isn't a class in how function calls work, so don't expect this to
726 be exactly correct in full, gory detail.  If you do want all the
727 details, you can refer to @bibref{SysV-i386}.
728
729 Whenever a function call happens, you need to put the arguments on the
730 call stack for that function, before the code for that function
731 executes, so that the callee has access to those values.  The caller
732 has to be responsible for this (be sure you understand why).
733 Therefore, when you compile a program, the assembly code emitted will
734 have in it, before every function call, a bunch of instructions that
735 prepares for the call in whatever manner is conventional for the
736 machine you're working on.  This includes saving registers as needed,
737 putting stuff on the stack, saving the location to return to somewhere
738 (so that when the callee finishes, it knows where the caller code is),
739 and some other bookkeeping stuff.  Then you do the jump to the
740 callee's code, and it goes along, assuming that the stack and
741 registers are prepared in the appropriate manner.  When the callee is
742 done, it looks at the return location as saved earlier, and jumps back
743 to that location.  The caller may then have to do some cleanup:
744 clearing arguments and the return value off the stack, restoring
745 registers that were saved before the call, and so on.
746
747 If you think about it, some of these things should remind you of
748 context switching.
749
750 As an aside, in general, function calls are not cheap.  You have to do
751 a bunch of memory writes to prepare the stack, you need to save and
752 restore registers before and after a function call, you need to write
753 the stack pointer, you have a couple of jumps which probably wrecks
754 some of your caches.  This is why inlining code can be much faster.
755
756 @menu
757 * Argument Passing to main::    
758 @end menu
759
760 @node Argument Passing to main
761 @subsection Argument Passing to @code{main()}
762
763 In @func{main}'s case, there is no caller to prepare the stack
764 before it runs.  Therefore, the kernel needs to do it.  Fortunately,
765 since there's no caller, there are no registers to save, no return
766 address to deal with, etc.  The only difficult detail to take care of,
767 after loading the code, is putting the arguments to @func{main} on
768 the stack.
769
770 (The above is a small lie: most compilers will emit code where main
771 isn't strictly speaking the first function.  This isn't an important
772 detail.  If you want to look into it more, try disassembling a program
773 and looking around a bit.  However, you can just act as if
774 @func{main} is the very first function called.)
775
776 Pintos is written for the 80@var{x}86 architecture.  Therefore, we
777 need to adhere to the 80@var{x}86 calling convention.  Basically, you
778 put all the arguments on the stack and move the stack pointer
779 appropriately.  You also need to insert space for the function's
780 ``return address'': even though the initial function doesn't really
781 have a caller, its stack frame must have the same layout as any other
782 function's.  The program will assume that the stack has been laid out
783 this way when it begins running.
784
785 So, what are the arguments to @func{main}? Just two: an @samp{int}
786 (@code{argc}) and a @samp{char **} (@code{argv}).  @code{argv} is an
787 array of strings, and @code{argc} is the number of strings in that
788 array.  However, the hard part isn't these two things.  The hard part
789 is getting all the individual strings in the right place.  As we go
790 through the procedure, let us consider the following example command:
791 @samp{/bin/ls -l foo bar}.
792
793 The first thing to do is to break the command line into individual
794 strings: @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}.  These
795 constitute the arguments of the command, including the program name
796 itself (which belongs in @code{argv[0]}).
797
798 These individual, null-terminated strings should be placed on the user
799 stack.  They may be placed in any order, as you'll see shortly,
800 without affecting how main works, but for simplicity let's assume they
801 are in reverse order (keeping in mind that the stack grows downward on
802 an 80@var{x}86 machine).  As we copy the strings onto the stack, we
803 record their (virtual) stack addresses.  These addresses will become
804 important when we write the argument vector (two paragraphs down).
805
806 After we push all of the strings onto the stack, we adjust the stack
807 pointer so that it is word-aligned: that is, we move it down to the
808 next 4-byte boundary.  This is required because we will next be
809 placing several words of data on the stack, and they must be aligned
810 in order to be read correctly.  In our example, as you'll see below,
811 the strings start at address @t{0xffed}.  One word below that would be
812 at @t{0xffe9}, so we could in theory put the next word on the stack
813 there.  However, since the stack pointer should always be
814 word-aligned, we instead leave the stack pointer at @t{0xffe8}.
815
816 Once we align the stack pointer, we then push the elements of the
817 argument vector, that is, a null pointer, then the addresses of the
818 strings @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}) onto
819 the stack.  This must be done in reverse order, such that
820 @code{argv[0]} is at the lowest virtual address, again because the
821 stack is growing downward.  (The null pointer pushed first is because
822 @code{argv[argc]} must be a null pointer.)  This is because we are now
823 writing the actual array of strings; if we write them in the wrong
824 order, then the strings will be in the wrong order in the array.  This
825 is also why, strictly speaking, it doesn't matter what order the
826 strings themselves are placed on the stack: as long as the pointers
827 are in the right order, the strings themselves can really be anywhere.
828 After we finish, we note the stack address of the first element of the
829 argument vector, which is @code{argv} itself.
830
831 Then we push @code{argv} (that is, the address of the first element of
832 the @code{argv} array) onto the stack, along with the length of the
833 argument vector (@code{argc}, 4 in this example).  This must also be
834 done in this order, since @code{argc} is the first argument to
835 @func{main} and therefore is on first (smaller address) on the
836 stack.  Finally, we push a fake ``return address'' and leave the stack
837 pointer to point to its location.
838
839 All this may sound very confusing, so here's a picture which will
840 hopefully clarify what's going on. This represents the state of the
841 stack and the relevant registers right before the beginning of the
842 user program (assuming for this example that the stack bottom is
843 @t{0xc0000000}):
844
845 @html
846 <CENTER>
847 @end html
848 @multitable {@t{0xbfffffff}} {``return address''} {@t{/bin/ls\0}}
849 @item Address @tab Name @tab Data
850 @item @t{0xbffffffc} @tab @code{*argv[3]} @tab @samp{bar\0}
851 @item @t{0xbffffff8} @tab @code{*argv[2]} @tab @samp{foo\0}
852 @item @t{0xbffffff5} @tab @code{*argv[1]} @tab @samp{-l\0}
853 @item @t{0xbfffffed} @tab @code{*argv[0]} @tab @samp{/bin/ls\0}
854 @item @t{0xbfffffec} @tab word-align @tab @samp{\0}
855 @item @t{0xbfffffe8} @tab @code{argv[4]} @tab @t{0}
856 @item @t{0xbfffffe4} @tab @code{argv[3]} @tab @t{0xbffffffc}
857 @item @t{0xbfffffe0} @tab @code{argv[2]} @tab @t{0xbffffff8}
858 @item @t{0xbfffffdc} @tab @code{argv[1]} @tab @t{0xbffffff5}
859 @item @t{0xbfffffd8} @tab @code{argv[0]} @tab @t{0xbfffffed}
860 @item @t{0xbfffffd4} @tab @code{argv} @tab @t{0xbfffffd8}
861 @item @t{0xbfffffd0} @tab @code{argc} @tab 4
862 @item @t{0xbfffffcc} @tab ``return address'' @tab 0
863 @end multitable
864 @html
865 </CENTER>
866 @end html
867
868 In this example, the stack pointer would be initialized to
869 @t{0xbfffffcc}.
870
871 As shown above, your code should start the stack at the very top of
872 the user virtual address space, in the page just below virtual address
873 @code{PHYS_BASE} (defined in @file{threads/mmu.h}).
874
875 You may find the non-standard @func{hex_dump} function, declared in
876 @file{<stdio.h>}, useful for debugging your argument passing code.
877 Here's what it would show in the above example, given that
878 @code{PHYS_BASE} is @t{0xc0000000}:
879
880 @verbatim
881 bfffffc0                                      00 00 00 00 |            ....|
882 bfffffd0  04 00 00 00 d8 ff ff bf-ed ff ff bf f5 ff ff bf |................|
883 bfffffe0  f8 ff ff bf fc ff ff bf-00 00 00 00 00 2f 62 69 |............./bi|
884 bffffff0  6e 2f 6c 73 00 2d 6c 00-66 6f 6f 00 62 61 72 00 |n/ls.-l.foo.bar.|
885 @end verbatim
886
887 @node System Calls
888 @section System Calls
889
890 We have already been dealing with one way that the operating system
891 can regain control from a user program: interrupts from timers and I/O
892 devices.  These are ``external'' interrupts, because they are caused
893 by entities outside the CPU.
894
895 The operating system is also called to deal with software exceptions,
896 which are events generated in response to the code.  These can be
897 errors such as a page fault or division by zero.  However, exceptions
898 are also the means by which a user program can request services
899 (``system calls'') from the operating system.
900
901 In the 80@var{x}86 architecture, the @samp{int} instruction is the
902 most commonly used means for invoking system calls.  This instruction
903 is handled in the same way as other software exceptions.  In Pintos,
904 user programs invoke @samp{int $0x30} to make a system call.  The
905 system call number and any additional arguments are expected to be
906 pushed on the stack in the normal fashion before invoking the
907 interrupt.
908
909 The normal calling convention pushes function arguments on the stack
910 from right to left and the stack grows downward.  Thus, when the
911 system call handler @func{syscall_handler} gets control, the system
912 call number is in the 32-bit word at the caller's stack pointer, the
913 first argument is in the 32-bit word at the next higher address, and
914 so on.  The caller's stack pointer is accessible to
915 @func{syscall_handler} as the @samp{esp} member of the @code{struct
916 intr_frame} passed to it.
917
918 Here's an example stack frame for calling a system call numbered 10
919 with three arguments passed as 1, 2, and 3.  The stack addresses are
920 arbitrary:
921
922 @html
923 <CENTER>
924 @end html
925 @multitable {@t{0xbffffe7c}} {Value}
926 @item Address @tab Value
927 @item @t{0xbffffe7c} @tab 3
928 @item @t{0xbffffe78} @tab 2
929 @item @t{0xbffffe74} @tab 1
930 @item @t{0xbffffe70} @tab 10
931 @end multitable
932 @html
933 </CENTER>
934 @end html
935
936 In this example, the caller's stack pointer would be at
937 @t{0xbffffe70}.
938
939 The 80@var{x}86 convention for function return values is to place them
940 in the @samp{EAX} register.  System calls that return a value can do
941 so by modifying the @samp{eax} member of @struct{intr_frame}.