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