Update docs.
[pintos-anon] / doc / userprog.texi
1 @node Project 2--User Programs, Project 3--Virtual Memory, Project 1--Threads, Top
2 @chapter Project 2: User Programs
3
4 Now that you've worked with Pintos and are familiar with its
5 infrastructure and thread package, it's time to start working on the
6 parts of the system that will allow users to run programs on top of
7 your operating system.  The base code already supports loading and
8 running a single user program at a time with little interactivity
9 possible.  You will allow multiple programs to be loaded in at once,
10 and to interact with the OS via system calls.
11
12 You will be working out of the @file{userprog} directory for this
13 assignment.  However, you will also be interacting with almost every
14 other part of the code for this assignment. We will describe the
15 relevant parts below. If you are confident in your HW1 code, you can
16 build on top of it.  However, if you wish you can start with a fresh
17 copy of the code and re-implement @code{thread_join()}, which is the
18 only part of project #1 required for this assignment.
19
20 Up to now, all of the code you have written for Pintos has been part
21 of the operating system kernel.  This means, for example, that all the
22 test code from the last assignment ran as part of the kernel, with
23 full access to privileged parts of the system.  Once we start running
24 user programs on top of the operating system, this is no longer true.
25 This project deals with consequences of the change.
26
27 We allow more than one user program to run at a time.  Because user
28 programs are written and compiled to work under the illusion that they
29 have the entire machine, when you load into memory and run more than
30 one process at a time, you must manage things correctly to maintain
31 this illusion.
32
33 FIXME
34 Before we delve into the details of the new code that you'll be
35 working with, you should probably undo the test cases from project 1.
36 All you need to do is make sure the original @file{threads/test.c} is
37 in place.  This will stop the tests from being run.
38
39 @menu
40 * Project 2 Code::              
41 * Using the File System::       
42 * How User Programs Work::      
43 * Global Requirements::         
44 * Problem 2-1 Argument Passing::  
45 * Problem 2-2 System Calls::    
46 * User Programs FAQ::           
47 * 80x86 Calling Convention::    
48 * System Calls::                
49 @end menu
50
51 @node Project 2 Code
52 @section Code
53
54 The easiest way to get an overview of the programming you will be
55 doing is to simply go over each part you'll be working with.  In
56 @file{userprog}, you'll find a small number of files, but here is
57 where the bulk of your work will be:
58
59 @table @file
60 @item addrspace.c
61 @itemx addrspace.h
62 An address space keeps track of all the data necessary to execute a
63 user program.  Address space data is stored in @code{struct thread},
64 but manipulated only by @file{addrspace.c}.  Address spaces need to
65 keep track of things like paging information for the process (so that
66 it knows which memory the process is using).  Address spaces also
67 handle loading the program into memory and starting up the process's
68 execution.
69
70 @item syscall.c
71 @itemx syscall.h
72 Whenever a user process wants to access some kernel functionality, it
73 needs to do so via a system call.  This is a skeleton system call
74 handler.  Currently, it just prints a message and terminates the user
75 process.  In part 2 of this project you will add code to do everything
76 else needed by system calls.
77
78 @item exception.c
79 @itemx exception.h
80 When a user process performs a privileged or prohibited operation, it
81 traps into the kernel as an ``exception'' or ``fault.''@footnote{We
82 will treat these terms as synonymous.  There is no standard
83 distinction between them, although the Intel processor manuals define
84 them slightly differently on 80@var{x}86.}  These files handle
85 exceptions.  Currently all exceptions simply print a message and
86 terminate the process.  @strong{You should not need to modify this
87 file for project 2.}
88
89 @item gdt.c
90 @itemx gdt.c
91 The 80@var{x}86 is a segmented architecture.  The Global Descriptor
92 Table (GDT) is a table that describes the segments in use.  These
93 files set up the GDT.  @strong{You should not need to modify these
94 files for any of the projects.}  However, you can read the code if
95 you're interested in how the GDT works.
96
97 @item tss.c
98 @itemx tss.c
99 The Task-State Segment (TSS) is used for 80@var{x}86 architectural
100 task switching.  Pintos uses the TSS only for switching stacks when a
101 user process enters an interrupt handler, as does Linux.  @strong{You
102 should not need to modify these files for any of the projects.}
103 However, you can read the code if you're interested in how the GDT
104 works.
105 @end table
106
107 Finally, in @file{lib/kernel}, you might want to use
108 @file{bitmap.[ch]}.  A bitmap is basically an array of bits, each of
109 which can be true or false.  Bitmaps are typically used to keep track
110 of the usage of a large array of (identical) resources: if resource
111 @var{n} is in use, then bit @var{n} of the bitmap is true.  You might
112 find it useful for tracking memory pages, for example.
113
114 @node Using the File System
115 @section Using the File System
116
117 You will need to use some file system code for this project.  First,
118 user programs are loaded from the file system.  Second, many of the
119 system calls you must implement deal with the file system.  However,
120 the focus of this project is not on the file system code, so we have
121 provided a simple file system in the @file{filesys} directory.  You
122 will want to look over the @file{filesys.h} and @file{file.h}
123 interfaces to understand how to use the file system.  @strong{You
124 should not modify the file system code for this project}.  Proper use
125 of the file system routines now will make life much easier for project
126 4, when you improve the file system implementation.
127
128 You need to be able to create and format simulated disks.  The
129 @command{pintos} program provides this functionality with its
130 @option{make-disk} command.  From the @file{filesys/build} directory,
131 execute @code{pintos make-disk fs.dsk 2}.  This command creates a 2 MB
132 simulated disk named @file{fs.dsk}.  (It does not actually start
133 Pintos.)  Then format the disk by passing the @option{-f} option to
134 Pintos on the kernel's command line: @code{pintos run -f}.
135
136 You'll need a way to get files in and out of the simulated file
137 system.  The @code{pintos} @option{put} and @option{get} commands are
138 designed for this.  To copy @file{@var{file}} into the Pintos file
139 system, use the command @file{pintos put @var{file}}.  To copy it to
140 the Pintos file system under the name @file{@var{newname}}, add the
141 new name to the end of the command: @file{pintos put @var{file}
142 @var{newname}}.  The commands for copying files out of a VM are
143 similar, but substitute @option{get} for @option{get}.
144
145 Incidentally, these commands work by passing special options
146 @option{-ci} and @option{-co} on the kernel's command line and copying
147 to and from a special simulated disk named @file{scratch.dsk}.  If
148 you're very curious, you can look at the @command{pintos} program as
149 well as @file{filesys/fsutil.c} to learn the implementation details,
150 but it's really not relevant for this project.
151
152 You can delete a file from the Pintos file system using the @option{-r
153 @var{file}} kernel option, e.g.@: @code{pintos run -r @var{file}}.
154 Also, @option{-ls} lists the files in the file system and @option{-p
155 @var{file}} prints a file's contents to the display.
156
157 @node How User Programs Work
158 @section How User Programs Work
159
160 Pintos can run normal C programs.  In fact, it can run any program you
161 want, provided it's compiled into the proper file format, and uses
162 only the system calls you implement.  (For example, @code{malloc()}
163 makes use of functionality that isn't provided by any of the syscalls
164 we require you to support.)  The only other limitation is that Pintos
165 can't run programs using floating point operations, since it doesn't
166 include the necessary kernel functionality to save and restore the
167 processor's floating-point unit when switching threads.  You can look
168 in @file{test} directory for some examples.
169
170 Pintos loads ELF executables, where ELF is an executable format used
171 by Linux, Solaris, and many other Unix and Unix-like systems.
172 Therefore, you can use any compiler and linker that produce
173 80@var{x}86 ELF executables to produce programs for Pintos.  We
174 recommend using the tools we provide in the @file{tests} directory.  By
175 default, the @file{Makefile} in this directory will compile the test
176 programs we provide.  You can edit the @file{Makefile} to compile your
177 own test programs as well.
178
179 One thing you should realize immediately is that, until you use the
180 above operation to copy a test program to the emulated disk, Pintos
181 will be unable to do very much useful work.  You will also find that
182 you won't be able to do interesting things until you copy a variety of
183 programs to the disk.  A useful technique is to create a clean
184 reference disk and copy that over whenever you trash your
185 @file{fs.dsk} beyond a useful state, which may happen occasionally
186 while debugging.
187
188 @node Global Requirements
189 @section Global Requirements
190
191 For testing and grading purposes, we have some simple requirements for
192 your output.  The kernel should print out the program's name and exit
193 status whenever a process exits.  Aside from this, it should print out
194 no other messages.  You may understand all those debug messages, but
195 we won't, and it just clutters our ability to see the stuff we care
196 about.
197
198 Additionally, while it may be useful to hard-code which process will
199 run at startup while debugging, before you submit your code you must
200 make sure that it takes the start-up process name and arguments from
201 the @samp{-ex} argument.  For example, running @code{pintos run -ex
202 "testprogram 1 2 3 4"} will spawn @samp{testprogram 1 2 3 4} as the
203 first process.
204
205 @node Problem 2-1 Argument Passing
206 @section Problem 2-1: Argument Passing
207
208 Currently, @code{thread_execute()} does not support passing arguments
209 to new processes.  UNIX and other operating systems do allow passing
210 command line arguments to a program, which accesses them via the argc,
211 argv arguments to main.  You must implement this functionality by
212 extending @code{thread_execute()} so that instead of simply taking a
213 program file name, it can take a program name with arguments as a
214 single string.  That is, @code{thread_execute("grep foo *.c")} should
215 be a legal call.  @xref{80x86 Calling Convention}, for information on
216 exactly how this works.
217
218 @strong{This functionality is extremely important.}  Almost all our
219 test cases rely on being able to pass arguments, so if you don't get
220 this right, a lot of things will not appear to work correctly with our
221 tests.  If the tests fail, so do you.  Fortunately, this part
222 shouldn't be too hard.
223
224 @node Problem 2-2 System Calls
225 @section Problem 2-2: System Calls
226
227 Implement the system call handler in @file{userprog/syscall.c} to
228 properly deal with all the system calls described below.  Currently,
229 it ``handles'' system calls by terminating the process.  You will need
230 to decipher system call arguments and take the appropriate action for
231 each.
232
233 In addition, implement system calls and system call handling.  You are
234 required to support the following system calls, whose syscall numbers
235 are defined in @file{lib/syscall-nr.h} and whose C functions called by
236 user programs are prototyped in @file{lib/user/syscall.h}:
237
238 @table @code
239 @item SYS_halt
240 @itemx void halt (void)
241 Stops Pintos and prints out performance statistics.  Note that this
242 should be seldom used, since then you lose some information about
243 possible deadlock situations, etc.
244
245 @item SYS_exit
246 @itemx void exit (int @var{status})
247 Terminates the current user program, returning @var{status} to the
248 kernel.  A @var{status} of 0 indicates a successful exit.  Other
249 values may be used to indicate user-defined error conditions.
250
251 @item SYS_exec
252 @itemx pid_t exec (const char *@var{file})
253 Run the executable in @var{file} and return the new process's program
254 id (pid).  If there is an error loading this program, returns pid -1,
255 which otherwise should not be a valid id number.
256
257 @item SYS_join
258 @itemx int join (pid_t @var{pid})
259 Joins the process @var{pid}, using the join rules from the last
260 assignment, and returns the process's exit status.  If the process was
261 terminated by the kernel (i.e.@: killed due to an exception), the exit
262 status should be -1.  If the process was not a child process, the
263 return value is undefined (but kernel operation must not be
264 disrupted).
265
266 @item SYS_create
267 @itemx bool create (const char *@var{file})
268 Create a new file called @var{file}.  Returns -1 if failed, 0 if OK.
269
270 @item SYS_remove
271 @itemx bool remove (const char *@var{file})
272 Delete the file called @var{file}.  Returns -1 if failed, 0 if OK.
273
274 @item SYS_open
275 @itemx int open (const char *@var{file})
276 Open the file called @var{file}.  Returns a nonnegative integer handle
277 called a ``file descriptor'' (fd), or -1 if the file could not be
278 opened.  File descriptors numbered 0 and 1 are reserved for the
279 console.  All open files associated with a process should be closed
280 when the process exits or is terminated.
281
282 @item SYS_filesize
283 @itemx int filesize (int @var{fd})
284 Returns the size, in bytes, of the file open as @var{fd}, or -1 if the
285 file is invalid.
286
287 @item SYS_read
288 @itemx int read (int @var{fd}, void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
289 Read @var{size} bytes from the file open as @var{fd} into
290 @var{buffer}.  Returns the number of bytes actually read, or -1 if the
291 file could not be read.
292
293 @item SYS_write
294 @itemx int write (int @var{fd}, const void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
295 Write @var{size} bytes from @var{buffer} to the open file @var{fd}.
296 Returns the number of bytes actually written, or -1 if the file could
297 not be written.
298
299 @item SYS_close
300 @itemx void close (int @var{fd})
301 Close file descriptor @var{fd}.
302 @end table
303
304 The file defines other syscalls.  Ignore them for now.  You will
305 implement some of them in project 3 and the rest in project 4, so be
306 sure to design your system with extensibility in mind.
307
308 To implement syscalls, you will need to provide a way of copying data
309 from the user's virtual address space into the kernel and vice versa.
310 This can be a bit tricky: what if the user provides an invalid
311 pointer, a pointer into kernel memory, or points to a block that is
312 partially in one of those regions?  You should handle these cases by
313 terminating the user process.  You will need this code before you can
314 even obtain the system call number, because the system call number is
315 on the user's stack in the user's virtual address space.  We recommend
316 writing and testing this code before implementing any other system
317 call functionality.
318
319 You must make sure that system calls are properly synchronized so that
320 any number of user processes can make them at once.  In particular, it
321 is not safe to call into the filesystem code provided in the
322 @file{filesys} directory from multiple threads at once.  For now, we
323 recommend adding a single lock that controls access to the filesystem
324 code.  You should acquire this lock before calling any functions in
325 the @file{filesys} directory, and release it afterward.  Because it
326 calls into @file{filesys} functions, you will have to modify
327 @file{addrspace_load()} in the same way.  @strong{For now, we
328 recommend against modifying code in the @file{filesys} directory.}
329
330 We have provided you a function for each system call in
331 @file{lib/user/syscall.c}.  These provide a way for user processes to
332 invoke each system call from a C program.  Each of them calls an
333 assembly language routine in @file{lib/user/syscall-stub.S}, which in
334 turn invokes the system call interrupt and returns.
335
336 When you're done with this part, and forevermore, Pintos should be
337 bulletproof.  Nothing that a user program can do should ever cause the
338 OS to crash, halt, assert fail, or otherwise stop running.  The sole
339 exception is a call to the @code{halt} system call.
340
341 @xref{System Calls}, for more information on how syscalls work.
342
343 @node User Programs FAQ
344 @section FAQ
345
346 @enumerate 1
347 @item General FAQs
348
349 @enumerate 1
350 @item
351 @b{Do we need a working project 1 to implement project 2?}
352
353 You may find the code for @code{thread_join()} to be useful in
354 implementing the join syscall, but besides that, you can use
355 the original code provided for project 1.
356
357 @item
358 @b{Is there a way I can disassemble user programs?}
359
360 The @command{i386-elf-objdump} utility can disassemble entire user
361 programs or object files.  Invoke it as @code{i386-elf-objdump -d
362 @var{file}}.  You can also use @code{i386-elf-gdb}'s
363 @command{disassemble} command to disassemble individual functions in
364 object files compiled with debug information.
365
366 @item
367 @b{Why can't I use many C include files in my Pintos programs?}
368
369 The C library we provide is very limited.  It does not include many of
370 the features that are expected of a real operating system's C library.
371 The C library must be built specifically for the operating system (and
372 architecture), since it must make system calls for I/O and memory
373 allocation.  (Not all functions do, of course, but usually the library
374 is compiled as a unit.)  If you wish to port libraries to Pintos, feel
375 free.
376
377 @item
378 @b{How do I compile new user programs? How do I make 'echo' compile?}
379
380 You need to modify @file{tests/Makefile}.
381
382 @item
383 @b{Help, Solaris only allows 128 open files at once!}
384
385 Solaris limits the number of file descriptors a process may keep open
386 at any given time.  The default limit is 128 open file descriptors.
387
388 To see the current limit for all new processes type @samp{limit} at
389 the shell prompt and look at the line titled ``descriptors''. To
390 increase this limit to the maximum allowed type @code{ulimit
391 descriptors} in a @command{csh} derived shell or @code{unlimit
392 descriptors} in a @command{sh} derived shell.  This will increase the
393 number of open file descriptors your Pintos process can use, but it
394 will still be limited.
395
396 Refer to the @command{limit(1)} man page for more information.
397
398 @item
399 @b{I can't seem to figure out how to read from and write to
400 memory. What should I do?}
401
402 Here are some pointers:
403
404 FIXME
405
406 @item
407 @b{I'm also confused about reading from and writing to the stack. Can
408 you help?}
409
410 FIXME: relevant?
411
412 @itemize @bullet
413 @item
414 Only non-@samp{char} values will have issues when writing them to
415 memory.  If a digit is in a string, it is considered a character.
416 However, the value of @code{argc} would be a non-char.
417
418 @item
419 You will need to write characters and non-characters into main memory.
420
421 @item
422 When you add items to the stack, you will be decrementing the stack
423 pointer.  You'll need to decrement the stack pointer before writing to
424 the location.
425
426 @item
427 Each character is 1 byte.
428 @end itemize
429 @end enumerate
430
431 @item Argument Passing FAQs
432
433 @enumerate 1
434 @item
435 @b{What will be the format of command line arguments?}
436
437 You should assume that command line arguments are delimited by white
438 space.
439
440 @item
441 @b{How do I parse all these argument strings?}
442
443 We recommend you look at @code{strtok_r()}, prototyped in
444 @file{lib/string.h} and implemented with thorough comments in
445 @file{lib/string.c}.  You can find more about it by looking at the man
446 page (run @code{man strtok_r} at the prompt).
447
448 @item
449 @b{Why is the top of the stack at @t{0xc0000000}?  Isn't that off the
450 top of user virtual memory?  Shouldn't it be @t{0xbfffffff}?}
451
452 When the processor pushes data on the stack, it decrements the stack
453 pointer first.  Thus, the first (4-byte) value pushed on the stack
454 will be at address @t{0xbffffffc}.
455
456 Also, the stack should always be aligned to a 4-byte boundary, but
457 @t{0xbfffffff} isn't.
458 @end enumerate
459
460 @item System Calls FAQs
461
462 @enumerate 1
463 @item
464 @b{What should I do with the parameter passed to @code{exit()}?}
465
466 This value, the exit status of the process, must be returned to the
467 thread's parent when @code{join()} is called.
468
469 @item
470 @b{Can I just cast a pointer to a @code{struct file} object to get a
471 unique file descriptor?  Can I just cast a @code{struct thread *} to a
472 @code{pid_t}?  It's so much simpler that way!}
473
474 This is a design decision you will have to make for yourself.
475 However, note that most operating systems do distinguish between file
476 descriptors (or pids) and the addresses of their kernel data
477 structures.  You might want to give some thought as to why they do so
478 before committing yourself.
479
480 @item
481 @b{Can I set a maximum number of open files per process?}
482
483 From a design standpoint, it would be better not to set an arbitrary
484 maximum.  That said, if your design calls for it, you may impose a
485 limit of 128 open files per process (as the Solaris machines here do).
486
487 @item
488 @b{What happens when two (or more) processes have a file open and one of
489 them removes it?}
490
491 You should copy the standard Unix semantics for files.  That is, when
492 a file is removed an process which has a file descriptor for that file
493 may continue to do operations on that descriptor.  This means that
494 they can read and write from the file.  The file will not have a name,
495 and no other processes will be able to open it, but it will continue
496 to exist until all file descriptors referring to the file are closed
497 or the machine shuts down.
498
499 @item
500 @b{What happens if a system call is passed an invalid argument, such
501 as Open being called with an invalid filename?}
502
503 Pintos should not crash.  You should have your system calls check for
504 invalid arguments and return error codes.
505
506 @item
507 @b{I've discovered that some of my user programs need more than one 4
508 kB page of stack space.  What should I do?}
509
510 You may modify the stack setup code to allocate more than one page of
511 stack space for each process.
512
513 @item
514 @b{What do I need to print on thread completion?}
515
516 You should print the complete thread name (as specified in the
517 @code{SYS_exec} call) followed by the exit status code,
518 e.g.@: @samp{example 1 2 3 4: 0}.
519 @end enumerate
520 @end enumerate
521
522 @node 80x86 Calling Convention
523 @section 80@var{x}86 Calling Convention
524
525 What follows is a quick and dirty discussion of the 80@var{x}86
526 calling convention.  Some of the basics should be familiar from CS
527 107, and if you've already taken CS 143 or EE 182, then you should
528 have seen even more of it.  I've omitted some of the complexity, since
529 this isn't a class in how function calls work, so don't expect this to
530 be exactly correct in full, gory detail.  If you do want all the
531 details, you can refer to @cite{[SysV-i386]}.
532
533 Whenever a function call happens, you need to put the arguments on the
534 call stack for that function, before the code for that function
535 executes, so that the callee has access to those values.  The caller
536 has to be responsible for this (be sure you understand why).
537 Therefore, when you compile a program, the assembly code emitted will
538 have in it, before every function call, a bunch of instructions that
539 prepares for the call in whatever manner is conventional for the
540 machine you're working on.  This includes saving registers as needed,
541 putting stuff on the stack, saving the location to return to somewhere
542 (so that when the callee finishes, it knows where the caller code is),
543 and some other bookkeeping stuff.  Then you do the jump to the
544 callee's code, and it goes along, assuming that the stack and
545 registers are prepared in the appropriate manner.  When the callee is
546 done, it looks at the return location as saved earlier, and jumps back
547 to that location.  The caller may then have to do some cleanup:
548 clearing arguments and the return value off the stack, restoring
549 registers that were saved before the call, and so on.
550
551 If you think about it, some of these things should remind you of
552 context switching.
553
554 As an aside, in general, function calls are not cheap.  You have to do
555 a bunch of memory writes to prepare the stack, you need to save and
556 restore registers before and after a function call, you need to write
557 the stack pointer, you have a couple of jumps which probably wrecks
558 some of your caches.  This is why inlining code can be much faster.
559
560 @menu
561 * Argument Passing to main::    
562 @end menu
563
564 @node Argument Passing to main
565 @subsection Argument Passing to @code{main()}
566
567 In @code{main()}'s case, there is no caller to prepare the stack
568 before it runs.  Therefore, the kernel needs to do it.  Fortunately,
569 since there's no caller, there are no registers to save, no return
570 address to deal with, etc.  The only difficult detail to take care of,
571 after loading the code, is putting the arguments to @code{main()} on
572 the stack.
573
574 (The above is a small lie: most compilers will emit code where main
575 isn't strictly speaking the first function.  This isn't an important
576 detail.  If you want to look into it more, try disassembling a program
577 and looking around a bit.  However, you can just act as if
578 @code{main()} is the very first function called.)
579
580 Pintos is written for the 80@var{x}86 architecture.  Therefore, we
581 need to adhere to the 80@var{x}86 calling convention, which is
582 detailed in the FAQ.  Basically, you put all the arguments on the
583 stack and move the stack pointer appropriately.  The program will
584 assume that this has been done when it begins running.
585
586 So, what are the arguments to @code{main()}? Just two: an @samp{int}
587 (@code{argc}) and a @samp{char **} (@code{argv}).  @code{argv} is an
588 array of strings, and @code{argc} is the number of strings in that
589 array.  However, the hard part isn't these two things.  The hard part is
590 getting all the individual strings in the right place.  As we go
591 through the procedure, let us consider the following example command:
592 @samp{/bin/ls -l *.h *.c}.
593
594 The first thing to do is to break the command line into individual
595 strings: @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{*.h}, and @samp{*.c}.  These
596 constitute the arguments of the command, including the program name
597 itself (which belongs in @code{argv[0]}).
598
599 These individual, null-terminated strings should be placed on the user
600 stack.  They may be placed in any order, as you'll see shortly,
601 without affecting how main works, but for simplicity let's assume they
602 are in reverse order (keeping in mind that the stack grows downward on
603 an 80@var{x}86 machine).  As we copy the strings onto the stack, we
604 record their (virtual) stack addresses.  These addresses will become
605 important when we write the argument vector (two paragraphs down).
606
607 After we push all of the strings onto the stack, we adjust the stack
608 pointer so that it is word-aligned: that is, we move it down to the
609 next 4-byte boundary.  This is required because we will next be
610 placing several words of data on the stack, and they must be aligned
611 in order to be read correctly.  In our example, as you'll see below,
612 the strings start at address @t{0xffed}.  One word below that would be
613 at @t{0xffe9}, so we could in theory put the next word on the stack
614 there.  However, since the stack pointer should always be
615 word-aligned, we instead leave the stack pointer at @t{0xffe8}.
616
617 Once we align the stack pointer, we then push the elements of the
618 argument vector (that is, the addresses of the strings @samp{/bin/ls},
619 @samp{-l}, @samp{*.h}, and @samp{*.c}) onto the stack.  This must be
620 done in reverse order, such that @code{argv[0]} is at the lowest
621 virtual address (again, because the stack is growing downward).  This
622 is because we are now writing the actual array of strings; if we write
623 them in the wrong order, then the strings will be in the wrong order
624 in the array.  This is also why, strictly speaking, it doesn't matter
625 what order the strings themselves are placed on the stack: as long as
626 the pointers are in the right order, the strings themselves can really
627 be anywhere.  After we finish, we note the stack address of the first
628 element of the argument vector, which is @code{argv} itself.
629
630 Finally, we push @code{argv} (that is, the address of the first
631 element of the @code{argv} array) onto the stack, along with the
632 length of the argument vector (@code{argc}, 4 in this example).  This
633 must also be done in this order, since @code{argc} is the first
634 argument to main and therefore is on first (smaller address) on the
635 stack.  We leave the stack pointer to point to the location where
636 @code{argc} is, because it is at the top of the stack, the location
637 directly below @code{argc}.
638
639 All of which may sound very confusing, so here's a picture which will
640 hopefully clarify what's going on. This represents the state of the
641 stack and the relevant registers right before the beginning of the
642 user program (assuming for this example a 16-bit virtual address space
643 with addresses from @t{0x0000} to @t{0xffff}):
644
645 @html
646 <CENTER>
647 @end html
648 @multitable {@t{0xffff}} {word-align} {@t{/bin/ls\0}}
649 @item Address @tab Name @tab Data
650 @item @t{0xfffc} @tab @code{*argv[3]} @tab @samp{*.c\0}
651 @item @t{0xfff8} @tab @code{*argv[2]} @tab @samp{*.h\0}
652 @item @t{0xfff5} @tab @code{*argv[1]} @tab @samp{-l\0}
653 @item @t{0xffed} @tab @code{*argv[0]} @tab @samp{/bin/ls\0}
654 @item @t{0xffec} @tab word-align @tab @samp{\0}
655 @item @t{0xffe8} @tab @code{argv[3]} @tab @t{0xfffc}
656 @item @t{0xffe4} @tab @code{argv[2]} @tab @t{0xfff8}
657 @item @t{0xffe0} @tab @code{argv[1]} @tab @t{0xfff5}
658 @item @t{0xffdc} @tab @code{argv[0]} @tab @t{0xffed}
659 @item @t{0xffd8} @tab @code{argv} @tab @t{0xffdc}
660 @item @t{0xffd4} @tab @code{argc} @tab 4
661 @end multitable
662 @html
663 </CENTER>
664 @end html
665
666 In this example, the stack pointer would be initialized to @t{0xffd4}.
667
668 Your code should start the stack at the very top of the user virtual
669 address space, in the page just below virtual address @code{PHYS_BASE}
670 (defined in @file{threads/mmu.h}).
671
672 @node System Calls
673 @section System Calls
674
675 We have already been dealing with one way that the operating system
676 can regain control from a user program: interrupts from timers and I/O
677 devices.  These are ``external'' interrupts, because they are caused
678 by entities outside the CPU.
679
680 The operating system is also called to deal with software exceptions,
681 which are events generated in response to the code.  These can be
682 errors such as a page fault or division by zero.  However, exceptions
683 are also the means by which a user program can request services
684 (``system calls'') from the operating system.
685
686 Some exceptions are ``restartable'': the condition that caused the
687 exception can be fixed and the instruction retried. For example, page
688 faults call the operating system, but the user code should re-start on
689 the load or store that caused the exception (not the next one) so that
690 the memory access actually occurs.  On the 80@var{x}86, restartable
691 exceptions are called ``faults,'' whereas most non-restartable
692 exceptions are classed as ``traps.''  Other architectures may define
693 these terms differently.
694
695 In the 80@var{x}86 architecture, the @samp{int} instruction is the
696 most commonly used means for invoking system calls.  This instruction
697 is handled in the same way that other software exceptions.  In Pintos,
698 user program invoke @samp{int $0x30} to make a system call.  The
699 system call number and any additional arguments are expected to be
700 pushed on the stack in the normal fashion before invoking the
701 interrupt.
702
703 The normal calling convention pushes function arguments on the stack
704 from right to left and the stack grows downward.  Thus, when the
705 system call handler @code{syscall_handler()} gets control, the system
706 call number is in the 32-bit word at the caller's stack pointer, the
707 first argument is in the 32-bit word at the next higher address, and
708 so on.  The caller's stack pointer is accessible to
709 @code{syscall_handler()} as the @samp{esp} member of the @code{struct
710 intr_frame} passed to it.
711
712 Here's an example stack frame for calling a system call numbered 10
713 with three arguments passed as 1, 2, and 3.  The stack addresses are
714 arbitrary:
715
716 @html
717 <CENTER>
718 @end html
719 @multitable {Address} {Value}
720 @item Address @tab Value
721 @item @t{0xfe7c} @tab 3
722 @item @t{0xfe78} @tab 2
723 @item @t{0xfe74} @tab 1
724 @item @t{0xfe70} @tab 10
725 @end multitable
726 @html
727 </CENTER>
728 @end html
729
730 In this example, the caller's stack pointer would be at @t{0xfe70}.
731
732 The 80@var{x}86 convention for function return values is to place them
733 in the @samp{EAX} register.  System calls that return a value can do
734 so by modifying the @samp{eax} member of @code{struct intr_frame}.