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 copy a
195 test program to the emulated disk, Pintos will be unable to do very
196 much useful work.  You will also find that you won't be able to do
197 interesting things until you copy a variety of programs to the disk.
198 A useful technique is to create a clean reference disk and copy that
199 over whenever you trash your @file{fs.dsk} beyond a useful state,
200 which may happen occasionally while debugging.
201
202 @node Virtual Memory Layout
203 @section Virtual Memory Layout
204
205 Virtual memory in Pintos is divided into two regions: user virtual
206 memory and kernel virtual memory.  User virtual memory ranges from
207 virtual address 0 up to @code{PHYS_BASE}, which is defined in
208 @file{threads/mmu.h} and defaults to @t{0xc0000000} (3 GB).  Kernel
209 virtual memory occupies the rest of the virtual address space, from
210 @code{PHYS_BASE} up to 4 GB.
211
212 User virtual memory is per-process.  Conceptually, each process is
213 free to use the entire space of user virtual memory however it
214 chooses.  When the kernel switches from one process to another, it
215 also switches user virtual address spaces by switching the processor's
216 page directory base register (see @func{pagedir_activate in
217 @file{userprog/pagedir.c}}.  @struct{thread} contains a pointer to a
218 process's page directory.
219
220 Kernel virtual memory is global.  It is always mapped the same way,
221 regardless of what user process or kernel thread is running.  In
222 Pintos, kernel virtual memory is mapped one-to-one to physical
223 memory.  That is, virtual address @code{PHYS_ADDR} accesses physical
224 address 0, virtual address @code{PHYS_ADDR} + @t{0x1234} access
225 physical address @t{0x1234}, and so on up to the size of the machine's
226 physical memory.
227
228 User programs can only access user virtual memory.  An attempt to
229 access kernel virtual memory will cause a page fault, handled by
230 @func{page_fault} in @file{userprog/exception.c}, and the process
231 will be terminated.  Kernel threads can access both kernel virtual
232 memory and, if a user process is running, the user virtual memory of
233 the running process.  However, even in the kernel, an attempt to
234 access memory at a user virtual address that doesn't have a page
235 mapped into it will cause a page fault.
236
237 You must handle memory fragmentation gracefully, that is, a process
238 that needs @var{N} pages of memory must not require that all @var{N}
239 be contiguous.  In fact, it must not require that any of the pages be
240 contiguous.
241
242 @node Global Requirements
243 @section Global Requirements
244
245 For testing and grading purposes, we have some simple overall
246 requirements:
247
248 @itemize @bullet
249 @item
250 The kernel should print out the program's name and exit status
251 whenever a process terminates, e.g.@: @code{shell: exit(-1)}, whether
252 termination is due to a call to the @code{exit} system call or for
253 another reason.  The name printed should be the full name passed to
254 @func{process_execute}, except that it is acceptable to truncate it to
255 15 characters to allow 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{cmd_line})
346 Runs the executable whose name is given in @var{cmd_line}, passing any
347 given arguments, and returns the new process's program id (pid).  If
348 there is an error loading this program, returns pid -1, which
349 otherwise should not be a valid id number.
350
351 @item SYS_join
352 @itemx int join (pid_t @var{pid})
353 Joins the process @var{pid}, using the join rules from the last
354 assignment, and returns the process's exit status.  If the process was
355 terminated by the kernel (i.e.@: killed due to an exception), the exit
356 status should be -1.  If the process was not a child of the calling
357 process, the return value is undefined (but kernel operation must not
358 be disrupted).
359
360 @item SYS_create
361 @itemx bool create (const char *@var{file}, unsigned @var{initial_size})
362 Create a new file called @var{file} initially @var{initial_size} bytes
363 in size.  Returns true if successful, false otherwise.
364
365 @item SYS_remove
366 @itemx bool remove (const char *@var{file})
367 Delete the file called @var{file}.  Returns true if successful, false
368 otherwise.
369
370 @item SYS_open
371 @itemx int open (const char *@var{file})
372 Open the file called @var{file}.  Returns a nonnegative integer handle
373 called a ``file descriptor'' (fd), or -1 if the file could not be
374 opened.  All open files associated with a process should be closed
375 when the process exits or is terminated.
376
377 File descriptors numbered 0 and 1 are reserved for the console: fd 0
378 is standard input (@code{stdin}), fd 1 is standard output
379 (@code{stdout}).  These special file descriptors are valid as system
380 call arguments only as explicitly described below.
381
382 @item SYS_filesize
383 @itemx int filesize (int @var{fd})
384 Returns the size, in bytes, of the file open as @var{fd}.
385
386 @item SYS_read
387 @itemx int read (int @var{fd}, void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
388 Read @var{size} bytes from the file open as @var{fd} into
389 @var{buffer}.  Returns the number of bytes actually read (0 at end of
390 file), or -1 if the file could not be read (due to a condition other
391 than end of file).  Fd 0 reads from the keyboard using
392 @func{kbd_getc}.
393
394 @item SYS_write
395 @itemx int write (int @var{fd}, const void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
396 Write @var{size} bytes from @var{buffer} to the open file @var{fd}.
397 Returns the number of bytes actually written, or -1 if the file could
398 not be written.   Fd 1 writes to the console.
399
400 @item SYS_seek
401 @itemx void seek (int @var{fd}, unsigned @var{position})
402 Changes the next byte to be read or written in open file @var{fd} to
403 @var{position}, expressed in bytes from the beginning of the file.
404 (Thus, a @var{position} of 0 is the file's start.)
405
406 A seek past the current end of a file is not an error.  A later read
407 obtains 0 bytes, indicating end of file.  A later write extends the
408 file, filling any unwritten gap with zeros.  (However, in Pintos files
409 have a fixed length until project 4 is complete, so writes past end of
410 file will return an error.)  These semantics are implemented in the
411 file system and do not require any special effort in system call
412 implementation.
413
414 @item SYS_tell
415 @itemx unsigned tell (int @var{fd})
416 Returns the position of the next byte to be read or written in open
417 file @var{fd}, expressed in bytes from the beginning of the file.
418
419 @item SYS_close
420 @itemx void close (int @var{fd})
421 Close file descriptor @var{fd}.
422 @end table
423
424 The file defines other syscalls.  Ignore them for now.  You will
425 implement some of them in project 3 and the rest in project 4, so be
426 sure to design your system with extensibility in mind.
427
428 To implement syscalls, you will need to provide a way of copying data
429 from the user's virtual address space into the kernel and vice versa.
430 This can be a bit tricky: what if the user provides an invalid
431 pointer, a pointer into kernel memory, or points to a block that is
432 partially in one of those regions?  You should handle these cases by
433 terminating the user process.  You will need this code before you can
434 even obtain the system call number, because the system call number is
435 on the user's stack in the user's virtual address space.  We recommend
436 writing and testing this code before implementing any other system
437 call functionality.
438
439 You must make sure that system calls are properly synchronized so that
440 any number of user processes can make them at once.  In particular, it
441 is not safe to call into the filesystem code provided in the
442 @file{filesys} directory from multiple threads at once.  For now, we
443 recommend adding a single lock that controls access to the filesystem
444 code.  You should acquire this lock before calling any functions in
445 the @file{filesys} directory, and release it afterward.  Don't forget
446 that @func{process_execute} also accesses files.  @strong{For now, we
447 recommend against modifying code in the @file{filesys} directory.}
448
449 We have provided you a function for each system call in
450 @file{lib/user/syscall.c}.  These provide a way for user processes to
451 invoke each system call from a C program.  Each of them calls an
452 assembly language routine in @file{lib/user/syscall-stub.S}, which in
453 turn invokes the system call interrupt and returns.
454
455 When you're done with this part, and forevermore, Pintos should be
456 bulletproof.  Nothing that a user program can do should ever cause the
457 OS to crash, halt, assert fail, or otherwise stop running.  The sole
458 exception is a call to the @code{halt} system call.
459
460 If a system call is passed an invalid argument, acceptable options
461 include returning an error value (for those calls that return a
462 value), returning an undefined value, or terminating the process.
463
464 @xref{System Calls}, for more information on how syscalls work.
465
466 @node User Programs FAQ
467 @section FAQ
468
469 @enumerate 1
470 @item
471 @b{Do we need a working project 1 to implement project 2?}
472
473 You may find the code for @func{thread_join} to be useful in
474 implementing the join syscall, but besides that, you can use
475 the original code provided for project 1.
476
477 @item
478 @b{@samp{pintos put} always panics.}
479
480 Here are the most common causes:
481
482 @itemize @bullet
483 @item
484 The disk hasn't yet been formatted (with @samp{pintos run -f}).
485
486 @item
487 The filename specified is too long.  The file system limits file names
488 to 14 characters.  If you're using a command like @samp{pintos put
489 ../../tests/userprog/echo}, that overflows the limit.  Use
490 @samp{pintos put ../../tests/userprog/echo echo} to put the file under
491 the name @file{echo} instead.
492
493 @item
494 The file is too big.  The file system has a 63 kB limit.
495 @end itemize
496
497 @item
498 @b{All my user programs die with page faults.}
499
500 This will generally happen if you haven't implemented problem 2-1
501 yet.  The reason is that the basic C library for user programs tries
502 to read @var{argc} and @var{argv} off the stack.  Because the stack
503 isn't properly set up yet, this causes a page fault.
504
505 @item
506 @b{I implemented 2-1 and now all my user programs die with
507 @samp{system call!}.}
508
509 Every reasonable program tries to make at least one system call
510 (@func{exit}) and most programs make more than that.  The default
511 system call handler just prints @samp{system call!} and terminates the
512 program.  You'll have to implement 2-2 before you see anything more
513 interesting.  Until then, you can use @func{hex_dump} to convince
514 yourself that 2-1 is implemented correctly (@pxref{Argument Passing to
515 main}).
516
517 @item
518 @b{Is there a way I can disassemble user programs?}
519
520 The @command{i386-elf-objdump} utility can disassemble entire user
521 programs or object files.  Invoke it as @code{i386-elf-objdump -d
522 @var{file}}.  You can also use @code{i386-elf-gdb}'s
523 @command{disassemble} command to disassemble individual functions in
524 object files compiled with debug information.
525
526 @item
527 @b{Why can't I use many C include files in my Pintos programs?}
528
529 The C library we provide is very limited.  It does not include many of
530 the features that are expected of a real operating system's C library.
531 The C library must be built specifically for the operating system (and
532 architecture), since it must make system calls for I/O and memory
533 allocation.  (Not all functions do, of course, but usually the library
534 is compiled as a unit.)
535
536 @item
537 @b{Can I use lib@var{foo} in my Pintos programs?}
538
539 The chances are good that lib@var{foo} uses parts of the C library
540 that Pintos doesn't implement.  It will probably take at least some
541 porting effort to make it work under Pintos.  Notably, the Pintos
542 userland C library does not have a @func{malloc} implementation.
543
544 @item
545 @b{How do I compile new user programs?}
546
547 You need to modify @file{tests/Makefile}.
548
549 @item
550 @b{What's the difference between @code{tid_t} and @code{pid_t}?}
551
552 A @code{tid_t} identifies a kernel thread, which may have a user
553 process running in it (if created with @func{process_execute}) or not
554 (if created with @func{thread_create}).  It is a data type used only
555 in the kernel.
556
557 A @code{pid_t} identifies a user process.  It is used by user
558 processes and the kernel in the @code{exec} and @code{join} system
559 calls.
560
561 You can choose whatever suitable types you like for @code{tid_t} and
562 @code{pid_t}.  By default, they're both @code{int}.  You can make them
563 a one-to-one mapping, so that the same values in both identify the
564 same process, or you can use a more complex mapping.  It's up to you.
565
566 @item
567 @b{I can't seem to figure out how to read from and write to user
568 memory. What should I do?}
569
570 The kernel must treat user memory delicately.  As part of a system
571 call, the user can pass to the kernel a null pointer, a pointer to
572 unmapped virtual memory, or a pointer to kernel virtual address space
573 (above @code{PHYS_BASE}).  All of these types of invalid pointers must
574 be rejected without harm to the kernel or other running processes.  At
575 your option, the kernel may handle invalid pointers by terminating the
576 process or returning from the system call with an error.
577
578 There are at least two reasonable ways to do this correctly.  The
579 first method is to ``verify then access'':@footnote{These terms are
580 made up for this document.  They are not standard terminology.} verify
581 the validity of a user-provided pointer, then dereference it.  If you
582 choose this route, you'll want to look at the functions in
583 @file{userprog/pagedir.c} and in @file{threads/mmu.h}.  This is the
584 simplest way to handle user memory access.
585
586 The second method is to ``assume and react'': directly dereference
587 user pointers, after checking that they point below @code{PHYS_BASE}.
588 Invalid user pointers will then cause a ``page fault'' that you can
589 handle by modifying the code for @func{page_fault} in
590 @file{userprog/exception.cc}.  This technique is normally faster
591 because it takes advantage of the processor's MMU, so it tends to be
592 used in real kernels (including Linux).
593
594 In either case, you need to make sure not to ``leak'' resources.  For
595 example, suppose that your system call has acquired a lock or
596 allocated a page of memory.  If you encounter an invalid user pointer
597 afterward, you must still be sure to release the lock or free the page
598 of memory.  If you choose to ``verify then access,'' then this should
599 be straightforward, but for ``assume and react'' it's more difficult,
600 because there's no way to return an error code from a memory access.
601 Therefore, for those who want to try the latter technique, we'll
602 provide a little bit of helpful code:
603
604 @verbatim
605 /* Tries to copy a byte from user address USRC to kernel address DST.
606    Returns true if successful, false if USRC is invalid. */
607 static inline bool get_user (uint8_t *dst, const uint8_t *usrc) {
608   int eax;
609   asm ("movl $1f, %%eax; movb %2, %%al; movb %%al, %0; 1:"
610        : "=m" (*dst), "=&a" (eax) : "m" (*usrc));
611   return eax != 0;
612 }
613
614 /* Tries write BYTE to user address UDST.
615    Returns true if successful, false if UDST is invalid. */
616 static inline bool put_user (uint8_t *udst, uint8_t byte) {
617   int eax;
618   asm ("movl $1f, %%eax; movb %b2, %0; 1:"
619        : "=m" (*udst), "=&a" (eax) : "r" (byte));
620   return eax != 0;
621 }
622 @end verbatim
623
624 Each of these functions assumes that the user address has already been
625 verified to be below @code{PHYS_BASE}.  They also assume that you've
626 modified @func{page_fault} so that a page fault in the kernel causes
627 @code{eax} to be set to 0 and its former value copied into @code{eip}.
628
629 @item
630 @b{I'm also confused about reading from and writing to the stack. Can
631 you help?}
632
633 @itemize @bullet
634 @item
635 Only non-@samp{char} values will have issues when writing them to
636 memory.  If a digit is in a string, it is considered a character.
637 However, the value of @code{argc} would be a non-char.
638
639 @item
640 You will need to write characters and non-characters into main memory.
641
642 @item
643 When you add items to the stack, you will be decrementing the stack
644 pointer.  You'll need to decrement the stack pointer before writing to
645 the location.
646
647 @item
648 Each character is 1 byte.
649 @end itemize
650
651 @item
652 @b{Why doesn't keyboard input work with @samp{pintos -v}?}
653
654 Serial input isn't implemented.  Don't use @samp{pintos -v} if you
655 want to use the shell or otherwise provide keyboard input.
656 @end enumerate
657
658 @menu
659 * Problem 2-1 Argument Passing FAQ::  
660 * Problem 2-2 System Calls FAQ::  
661 @end menu
662
663 @node Problem 2-1 Argument Passing FAQ
664 @subsection Problem 2-1: Argument Passing FAQ
665
666 @enumerate 1
667 @item
668 @b{Why is the top of the stack at @t{0xc0000000}?  Isn't that off the
669 top of user virtual memory?  Shouldn't it be @t{0xbfffffff}?}
670
671 When the processor pushes data on the stack, it decrements the stack
672 pointer first.  Thus, the first (4-byte) value pushed on the stack
673 will be at address @t{0xbffffffc}.
674
675 Also, the stack should always be aligned to a 4-byte boundary, but
676 @t{0xbfffffff} isn't.
677
678 @item
679 @b{Is @code{PHYS_BASE} fixed?}
680
681 No.  You should be able to support @code{PHYS_BASE} values that are
682 any multiple of @t{0x10000000} from @t{0x80000000} to @t{0xc0000000},
683 simply via recompilation.
684 @end enumerate
685
686 @node Problem 2-2 System Calls FAQ
687 @subsection Problem 2-2: System Calls FAQ
688
689 @enumerate 1
690 @item
691 @b{Can I just cast a pointer to a @struct{file} object to get a
692 unique file descriptor?  Can I just cast a @code{struct thread *} to a
693 @code{pid_t}?  It's so much simpler that way!}
694
695 This is a design decision you will have to make for yourself.
696 However, note that most operating systems do distinguish between file
697 descriptors (or pids) and the addresses of their kernel data
698 structures.  You might want to give some thought as to why they do so
699 before committing yourself.
700
701 @item
702 @b{Can I set a maximum number of open files per process?}
703
704 From a design standpoint, it would be better not to set an arbitrary
705 maximum.  That said, if your design calls for it, you may impose a
706 limit of 128 open files per process (as the Solaris machines here do).
707
708 @item
709 @anchor{Removing an Open File}
710 @b{What happens when two (or more) processes have a file open and one of
711 them removes it?}
712
713 You should copy the standard Unix semantics for files.  That is, when
714 a file is removed an process which has a file descriptor for that file
715 may continue to do operations on that descriptor.  This means that
716 they can read and write from the file.  The file will not have a name,
717 and no other processes will be able to open it, but it will continue
718 to exist until all file descriptors referring to the file are closed
719 or the machine shuts down.
720
721 @item
722 @b{I've discovered that some of my user programs need more than one 4
723 kB page of stack space.  What should I do?}
724
725 You may modify the stack setup code to allocate more than one page of
726 stack space for each process.
727 @end enumerate
728
729 @node 80x86 Calling Convention
730 @section 80@var{x}86 Calling Convention
731
732 What follows is a quick and dirty discussion of the 80@var{x}86
733 calling convention.  Some of the basics should be familiar from CS
734 107, and if you've already taken CS 143 or EE 182, then you should
735 have seen even more of it.  I've omitted some of the complexity, since
736 this isn't a class in how function calls work, so don't expect this to
737 be exactly correct in full, gory detail.  If you do want all the
738 details, you can refer to @bibref{SysV-i386}.
739
740 Whenever a function call happens, you need to put the arguments on the
741 call stack for that function, before the code for that function
742 executes, so that the callee has access to those values.  The caller
743 has to be responsible for this (be sure you understand why).
744 Therefore, when you compile a program, the assembly code emitted will
745 have in it, before every function call, a bunch of instructions that
746 prepares for the call in whatever manner is conventional for the
747 machine you're working on.  This includes saving registers as needed,
748 putting stuff on the stack, saving the location to return to somewhere
749 (so that when the callee finishes, it knows where the caller code is),
750 and some other bookkeeping stuff.  Then you do the jump to the
751 callee's code, and it goes along, assuming that the stack and
752 registers are prepared in the appropriate manner.  When the callee is
753 done, it looks at the return location as saved earlier, and jumps back
754 to that location.  The caller may then have to do some cleanup:
755 clearing arguments and the return value off the stack, restoring
756 registers that were saved before the call, and so on.
757
758 If you think about it, some of these things should remind you of
759 context switching.
760
761 As an aside, in general, function calls are not cheap.  You have to do
762 a bunch of memory writes to prepare the stack, you need to save and
763 restore registers before and after a function call, you need to write
764 the stack pointer, you have a couple of jumps which probably wrecks
765 some of your caches.  This is why inlining code can be much faster.
766
767 @menu
768 * Argument Passing to main::    
769 @end menu
770
771 @node Argument Passing to main
772 @subsection Argument Passing to @code{main()}
773
774 In @func{main}'s case, there is no caller to prepare the stack
775 before it runs.  Therefore, the kernel needs to do it.  Fortunately,
776 since there's no caller, there are no registers to save, no return
777 address to deal with, etc.  The only difficult detail to take care of,
778 after loading the code, is putting the arguments to @func{main} on
779 the stack.
780
781 (The above is a small lie: most compilers will emit code where main
782 isn't strictly speaking the first function.  This isn't an important
783 detail.  If you want to look into it more, try disassembling a program
784 and looking around a bit.  However, you can just act as if
785 @func{main} is the very first function called.)
786
787 Pintos is written for the 80@var{x}86 architecture.  Therefore, we
788 need to adhere to the 80@var{x}86 calling convention.  Basically, you
789 put all the arguments on the stack and move the stack pointer
790 appropriately.  You also need to insert space for the function's
791 ``return address'': even though the initial function doesn't really
792 have a caller, its stack frame must have the same layout as any other
793 function's.  The program will assume that the stack has been laid out
794 this way when it begins running.
795
796 So, what are the arguments to @func{main}? Just two: an @samp{int}
797 (@code{argc}) and a @samp{char **} (@code{argv}).  @code{argv} is an
798 array of strings, and @code{argc} is the number of strings in that
799 array.  However, the hard part isn't these two things.  The hard part
800 is getting all the individual strings in the right place.  As we go
801 through the procedure, let us consider the following example command:
802 @samp{/bin/ls -l foo bar}.
803
804 The first thing to do is to break the command line into individual
805 strings: @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}.  These
806 constitute the arguments of the command, including the program name
807 itself (which belongs in @code{argv[0]}).
808
809 These individual, null-terminated strings should be placed on the user
810 stack.  They may be placed in any order, as you'll see shortly,
811 without affecting how main works, but for simplicity let's assume they
812 are in reverse order (keeping in mind that the stack grows downward on
813 an 80@var{x}86 machine).  As we copy the strings onto the stack, we
814 record their (virtual) stack addresses.  These addresses will become
815 important when we write the argument vector (two paragraphs down).
816
817 After we push all of the strings onto the stack, we adjust the stack
818 pointer so that it is word-aligned: that is, we move it down to the
819 next 4-byte boundary.  This is required because we will next be
820 placing several words of data on the stack, and they must be aligned
821 in order to be read correctly.  In our example, as you'll see below,
822 the strings start at address @t{0xffed}.  One word below that would be
823 at @t{0xffe9}, so we could in theory put the next word on the stack
824 there.  However, since the stack pointer should always be
825 word-aligned, we instead leave the stack pointer at @t{0xffe8}.
826
827 Once we align the stack pointer, we then push the elements of the
828 argument vector, that is, a null pointer, then the addresses of the
829 strings @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}) onto
830 the stack.  This must be done in reverse order, such that
831 @code{argv[0]} is at the lowest virtual address, again because the
832 stack is growing downward.  (The null pointer pushed first is because
833 @code{argv[argc]} must be a null pointer.)  This is because we are now
834 writing the actual array of strings; if we write them in the wrong
835 order, then the strings will be in the wrong order in the array.  This
836 is also why, strictly speaking, it doesn't matter what order the
837 strings themselves are placed on the stack: as long as the pointers
838 are in the right order, the strings themselves can really be anywhere.
839 After we finish, we note the stack address of the first element of the
840 argument vector, which is @code{argv} itself.
841
842 Then we push @code{argv} (that is, the address of the first element of
843 the @code{argv} array) onto the stack, along with the length of the
844 argument vector (@code{argc}, 4 in this example).  This must also be
845 done in this order, since @code{argc} is the first argument to
846 @func{main} and therefore is on first (smaller address) on the
847 stack.  Finally, we push a fake ``return address'' and leave the stack
848 pointer to point to its location.
849
850 All this may sound very confusing, so here's a picture which will
851 hopefully clarify what's going on. This represents the state of the
852 stack and the relevant registers right before the beginning of the
853 user program (assuming for this example that the stack bottom is
854 @t{0xc0000000}):
855
856 @html
857 <CENTER>
858 @end html
859 @multitable {@t{0xbfffffff}} {``return address''} {@t{/bin/ls\0}}
860 @item Address @tab Name @tab Data
861 @item @t{0xbffffffc} @tab @code{*argv[3]} @tab @samp{bar\0}
862 @item @t{0xbffffff8} @tab @code{*argv[2]} @tab @samp{foo\0}
863 @item @t{0xbffffff5} @tab @code{*argv[1]} @tab @samp{-l\0}
864 @item @t{0xbfffffed} @tab @code{*argv[0]} @tab @samp{/bin/ls\0}
865 @item @t{0xbfffffec} @tab word-align @tab @samp{\0}
866 @item @t{0xbfffffe8} @tab @code{argv[4]} @tab @t{0}
867 @item @t{0xbfffffe4} @tab @code{argv[3]} @tab @t{0xbffffffc}
868 @item @t{0xbfffffe0} @tab @code{argv[2]} @tab @t{0xbffffff8}
869 @item @t{0xbfffffdc} @tab @code{argv[1]} @tab @t{0xbffffff5}
870 @item @t{0xbfffffd8} @tab @code{argv[0]} @tab @t{0xbfffffed}
871 @item @t{0xbfffffd4} @tab @code{argv} @tab @t{0xbfffffd8}
872 @item @t{0xbfffffd0} @tab @code{argc} @tab 4
873 @item @t{0xbfffffcc} @tab ``return address'' @tab 0
874 @end multitable
875 @html
876 </CENTER>
877 @end html
878
879 In this example, the stack pointer would be initialized to
880 @t{0xbfffffcc}.
881
882 As shown above, your code should start the stack at the very top of
883 the user virtual address space, in the page just below virtual address
884 @code{PHYS_BASE} (defined in @file{threads/mmu.h}).
885
886 You may find the non-standard @func{hex_dump} function, declared in
887 @file{<stdio.h>}, useful for debugging your argument passing code.
888 Here's what it would show in the above example, given that
889 @code{PHYS_BASE} is @t{0xc0000000}:
890
891 @verbatim
892 bfffffc0                                      00 00 00 00 |            ....|
893 bfffffd0  04 00 00 00 d8 ff ff bf-ed ff ff bf f5 ff ff bf |................|
894 bfffffe0  f8 ff ff bf fc ff ff bf-00 00 00 00 00 2f 62 69 |............./bi|
895 bffffff0  6e 2f 6c 73 00 2d 6c 00-66 6f 6f 00 62 61 72 00 |n/ls.-l.foo.bar.|
896 @end verbatim
897
898 @node System Calls
899 @section System Calls
900
901 We have already been dealing with one way that the operating system
902 can regain control from a user program: interrupts from timers and I/O
903 devices.  These are ``external'' interrupts, because they are caused
904 by entities outside the CPU.
905
906 The operating system is also called to deal with software exceptions,
907 which are events generated in response to the code.  These can be
908 errors such as a page fault or division by zero.  However, exceptions
909 are also the means by which a user program can request services
910 (``system calls'') from the operating system.
911
912 In the 80@var{x}86 architecture, the @samp{int} instruction is the
913 most commonly used means for invoking system calls.  This instruction
914 is handled in the same way as other software exceptions.  In Pintos,
915 user programs invoke @samp{int $0x30} to make a system call.  The
916 system call number and any additional arguments are expected to be
917 pushed on the stack in the normal fashion before invoking the
918 interrupt.
919
920 The normal calling convention pushes function arguments on the stack
921 from right to left and the stack grows downward.  Thus, when the
922 system call handler @func{syscall_handler} gets control, the system
923 call number is in the 32-bit word at the caller's stack pointer, the
924 first argument is in the 32-bit word at the next higher address, and
925 so on.  The caller's stack pointer is accessible to
926 @func{syscall_handler} as the @samp{esp} member of the @code{struct
927 intr_frame} passed to it.
928
929 Here's an example stack frame for calling a system call numbered 10
930 with three arguments passed as 1, 2, and 3.  The stack addresses are
931 arbitrary:
932
933 @html
934 <CENTER>
935 @end html
936 @multitable {@t{0xbffffe7c}} {Value}
937 @item Address @tab Value
938 @item @t{0xbffffe7c} @tab 3
939 @item @t{0xbffffe78} @tab 2
940 @item @t{0xbffffe74} @tab 1
941 @item @t{0xbffffe70} @tab 10
942 @end multitable
943 @html
944 </CENTER>
945 @end html
946
947 In this example, the caller's stack pointer would be at
948 @t{0xbffffe70}.
949
950 The 80@var{x}86 convention for function return values is to place them
951 in the @samp{EAX} register.  System calls that return a value can do
952 so by modifying the @samp{eax} member of @struct{intr_frame}.