Minor doc improvements.
[pintos.git] / doc / userprog.texi
blob11d9875ce7beabe78e2ebb8e9079d7402bb31113
1 @node Project 2--User Programs
2 @chapter Project 2: User Programs
4 Now that you've worked with Pintos and are becoming familiar with its
5 infrastructure and thread package, it's time to start working on the
6 parts of the system that allow running user programs.
7 The base code already supports loading and
8 running user programs, but no I/O or interactivity
9 is possible.  In this project, you will enable programs to interact with
10 the OS via system calls.
12 You will be working out of the @file{userprog} directory for this
13 assignment, but you will also be interacting with almost every
14 other part of Pintos.  We will describe the
15 relevant parts below.
17 You can build project 2 on top of your project 1 submission or you can
18 start fresh.  No code from project 1 is required for this
19 assignment.  The ``alarm clock'' functionality may be useful in
20 projects 3 and 4, but it is not strictly required.
22 You might find it useful to go back and reread how to run the tests
23 (@pxref{Testing}).
25 @menu
26 * Project 2 Background::        
27 * Project 2 Suggested Order of Implementation::  
28 * Project 2 Requirements::      
29 * Project 2 FAQ::               
30 * 80x86 Calling Convention::    
31 @end menu
33 @node Project 2 Background
34 @section Background
36 Up to now, all of the code you have run under Pintos has been part
37 of the operating system kernel.  This means, for example, that all the
38 test code from the last assignment ran as part of the kernel, with
39 full access to privileged parts of the system.  Once we start running
40 user programs on top of the operating system, this is no longer true.
41 This project deals with the consequences.
43 We allow more than one process to run at a time.  Each process has one
44 thread (multithreaded processes are not supported).  User programs are
45 written under the illusion that they have the entire machine.  This
46 means that when you load and run multiple processes at a time, you must
47 manage memory, scheduling, and other state correctly to maintain this
48 illusion.
50 In the previous project, we compiled our test code directly into your
51 kernel, so we had to require certain specific function interfaces within
52 the kernel.  From now on, we will test your operating system by running
53 user programs.  This gives you much greater freedom.  You must make sure
54 that the user program interface meets the specifications described here,
55 but given that constraint you are free to restructure or rewrite kernel
56 code however you wish.
58 @menu
59 * Project 2 Source Files::      
60 * Using the File System::       
61 * How User Programs Work::      
62 * Virtual Memory Layout::       
63 * Accessing User Memory::       
64 @end menu
66 @node Project 2 Source Files
67 @subsection Source Files
69 The easiest way to get an overview of the programming you will be
70 doing is to simply go over each part you'll be working with.  In
71 @file{userprog}, you'll find a small number of files, but here is
72 where the bulk of your work will be:
74 @table @file
75 @item process.c
76 @itemx process.h
77 Loads ELF binaries and starts processes.
79 @item pagedir.c
80 @itemx pagedir.h
81 A simple manager for 80@var{x}86 hardware page tables.
82 Although you probably won't want to modify this code for this project,
83 you may want to call some of its functions.
84 @xref{Page Tables}, for more information.
86 @item syscall.c
87 @itemx syscall.h
88 Whenever a user process wants to access some kernel functionality, it
89 invokes a system call.  This is a skeleton system call
90 handler.  Currently, it just prints a message and terminates the user
91 process.  In part 2 of this project you will add code to do everything
92 else needed by system calls.
94 @item exception.c
95 @itemx exception.h
96 When a user process performs a privileged or prohibited operation, it
97 traps into the kernel as an ``exception'' or ``fault.''@footnote{We
98 will treat these terms as synonyms.  There is no standard
99 distinction between them, although Intel processor manuals make 
100 a minor distinction between them on 80@var{x}86.}  These files handle
101 exceptions.  Currently all exceptions simply print a message and
102 terminate the process.  Some, but not all, solutions to project 2
103 require modifying @func{page_fault} in this file.
105 @item gdt.c
106 @itemx gdt.h
107 The 80@var{x}86 is a segmented architecture.  The Global Descriptor
108 Table (GDT) is a table that describes the segments in use.  These
109 files set up the GDT.  You should not need to modify these
110 files for any of the projects.  You can read the code if
111 you're interested in how the GDT works.
113 @item tss.c
114 @itemx tss.h
115 The Task-State Segment (TSS) is used for 80@var{x}86 architectural
116 task switching.  Pintos uses the TSS only for switching stacks when a
117 user process enters an interrupt handler, as does Linux.  You
118 should not need to modify these files for any of the projects.
119 You can read the code if you're interested in how the TSS
120 works.
121 @end table
123 @node Using the File System
124 @subsection Using the File System
126 You will need to interface to the file system code for this project,
127 because
128 user programs are loaded from the file system and many of the
129 system calls you must implement deal with the file system.  However,
130 the focus of this project is not the file system, so we have
131 provided a simple but complete file system in the @file{filesys}
132 directory.  You
133 will want to look over the @file{filesys.h} and @file{file.h}
134 interfaces to understand how to use the file system, and especially
135 its many limitations.
137 There is no need to modify the file system code for this project, and so
138 we recommend that you do not.  Working on the file system is likely to
139 distract you from this project's focus.
141 Proper use of the file system routines now
142 will make life much easier for project 4, when you improve the file
143 system implementation.  Until then, you will have to tolerate the
144 following limitations:
146 @itemize @bullet
147 @item
148 No internal synchronization.  Concurrent accesses will interfere with one
149 another.  You should use synchronization to ensure that only one process at a
150 time is executing file system code.
152 @item
153 File size is fixed at creation time.  The root directory is
154 represented as a file, so the number of files that may be created is also
155 limited.
157 @item
158 File data is allocated as a single extent, that is, data in a single
159 file must occupy a contiguous range of sectors on disk.  External
160 fragmentation can therefore become a serious problem as a file system is
161 used over time.
163 @item
164 No subdirectories.
166 @item
167 File names are limited to 14 characters.
169 @item
170 A system crash mid-operation may corrupt the disk in a way
171 that cannot be repaired automatically.  There is no file system repair
172 tool anyway.
173 @end itemize
175 One important feature is included:
177 @itemize @bullet
178 @item
179 Unix-like semantics for @func{filesys_remove} are implemented.
180 That is, if a file is open when it is removed, its blocks
181 are not deallocated and it may still be accessed by any
182 threads that have it open, until the last one closes it.  @xref{Removing
183 an Open File}, for more information.
184 @end itemize
186 You need to be able to create simulated disks.  The
187 @command{pintos-mkdisk} program provides this functionality.  From the
188 @file{userprog/build} directory, execute @code{pintos-mkdisk fs.dsk@tie{}2}.
189 This command creates a 2 MB simulated disk named @file{fs.dsk}.  Then
190 format the disk by passing @option{-f -q} on the kernel's command
191 line: @code{pintos -f -q}.  The @option{-f} option causes the disk to be
192 formatted, and @option{-q} causes Pintos to exit as soon as the format
193 is done.
195 You'll need a way to copy files in and out of the simulated file system.
196 The @code{pintos} @option{-p} (``put'') and @option{-g} (``get'')
197 options do this.  To copy @file{@var{file}} into the
198 Pintos file system, use the command @file{pintos -p @var{file} -- -q}.
199 (The @samp{--} is needed because @option{-p} is for the @command{pintos}
200 script, not for the simulated kernel.)  To copy it to the Pintos file
201 system under the name @file{@var{newname}}, add @option{-a
202 @var{newname}}: @file{pintos -p @var{file} -a @var{newname} -- -q}.  The
203 commands for copying files out of a VM are similar, but substitute
204 @option{-g} for @option{-p}.
206 Incidentally, these commands work by passing special commands
207 @command{put} and @command{get} on the kernel's command line and copying
208 to and from a special simulated ``scratch'' disk.  If you're very
209 curious, you can look at the @command{pintos} script as well as
210 @file{filesys/fsutil.c} to learn the implementation details.
212 Here's a summary of how to create and format a disk, copy the
213 @command{echo} program into the new disk, and then run @command{echo},
214 passing argument @code{x}.  (Argument passing won't work until
215 you implemented it.)  It assumes
216 that you've already built the
217 examples in @file{examples} and that the current directory is
218 @file{userprog/build}:
220 @example
221 pintos-mkdisk fs.dsk 2
222 pintos -f -q
223 pintos -p ../../examples/echo -a echo -- -q
224 pintos -q run 'echo x'
225 @end example
227 The three final steps can actually be combined into a single command:
229 @example
230 pintos-mkdisk fs.dsk 2
231 pintos -p ../../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
232 @end example
234 If you don't want to keep the file system disk around for later use or
235 inspection, you can even combine all four steps into a single command.
236 The @code{--fs-disk=@var{n}} option creates a temporary disk
237 approximately @var{n} megabytes in size just for the duration of the
238 @command{pintos} run.  The Pintos automatic test suite makes extensive
239 use of this syntax:
241 @example
242 pintos --fs-disk=2 -p ../../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
243 @end example
245 You can delete a file from the Pintos file system using the @code{rm
246 @var{file}} kernel action, e.g.@: @code{pintos -q rm @var{file}}.  Also,
247 @command{ls} lists the files in the file system and @code{cat
248 @var{file}} prints a file's contents to the display.
250 @node How User Programs Work
251 @subsection How User Programs Work
253 Pintos can run normal C programs, as long as they fit into memory and use
254 only the system calls you implement.  Notably, @func{malloc} cannot be
255 implemented because none of the system calls required for this project
256 allow for memory allocation.  Pintos also can't run programs that use
257 floating point operations, since the kernel doesn't save and restore the
258 processor's floating-point unit when switching threads.
260 The @file{src/examples} directory contains a few sample user
261 programs.  The @file{Makefile} in this directory
262 compiles the provided examples, and you can edit it
263 compile your own programs as well.  Some of the example programs will
264 only work once projects 3 or 4 have been implemented.
266 Pintos can load @dfn{ELF} executables with the loader provided for you
267 in @file{userprog/process.c}.  ELF is a file format used by Linux,
268 Solaris, and many other operating systems for object files,
269 shared libraries, and executables.  You can actually use any compiler
270 and linker that output 80@var{x}86 ELF executables to produce programs
271 for Pintos.  (We've provided compilers and linkers that should do just
272 fine.)
274 You should realize immediately that, until you copy a
275 test program to the simulated disk, Pintos will be unable to do
276 useful work.  You won't be able to do
277 interesting things until you copy a variety of programs to the disk.
278 You might want to create a clean reference disk and copy that
279 over whenever you trash your @file{fs.dsk} beyond a useful state,
280 which may happen occasionally while debugging.
282 @node Virtual Memory Layout
283 @subsection Virtual Memory Layout
285 Virtual memory in Pintos is divided into two regions: user virtual
286 memory and kernel virtual memory.  User virtual memory ranges from
287 virtual address 0 up to @code{PHYS_BASE}, which is defined in
288 @file{threads/vaddr.h} and defaults to @t{0xc0000000} (3 GB).  Kernel
289 virtual memory occupies the rest of the virtual address space, from
290 @code{PHYS_BASE} up to 4 GB.
292 User virtual memory is per-process.
293 When the kernel switches from one process to another, it
294 also switches user virtual address spaces by changing the processor's
295 page directory base register (see @func{pagedir_activate} in
296 @file{userprog/pagedir.c}).  @struct{thread} contains a pointer to a
297 process's page table.
299 Kernel virtual memory is global.  It is always mapped the same way,
300 regardless of what user process or kernel thread is running.  In
301 Pintos, kernel virtual memory is mapped one-to-one to physical
302 memory, starting at @code{PHYS_BASE}.  That is, virtual address
303 @code{PHYS_BASE} accesses physical
304 address 0, virtual address @code{PHYS_BASE} + @t{0x1234} access
305 physical address @t{0x1234}, and so on up to the size of the machine's
306 physical memory.
308 A user program can only access its own user virtual memory.  An attempt to
309 access kernel virtual memory causes a page fault, handled by
310 @func{page_fault} in @file{userprog/exception.c}, and the process
311 will be terminated.  Kernel threads can access both kernel virtual
312 memory and, if a user process is running, the user virtual memory of
313 the running process.  However, even in the kernel, an attempt to
314 access memory at an unmapped user virtual address
315 will cause a page fault.
317 @menu
318 * Typical Memory Layout::       
319 @end menu
321 @node Typical Memory Layout
322 @subsubsection Typical Memory Layout
324 Conceptually, each process is
325 free to lay out its own user virtual memory however it
326 chooses.  In practice, user virtual memory is laid out like this:
328 @html
329 <CENTER>
330 @end html
331 @example
332 @group
333    PHYS_BASE +----------------------------------+
334              |            user stack            |
335              |                 |                |
336              |                 |                |
337              |                 V                |
338              |          grows downward          |
339              |                                  |
340              |                                  |
341              |                                  |
342              |                                  |
343              |           grows upward           |
344              |                 ^                |
345              |                 |                |
346              |                 |                |
347              +----------------------------------+
348              | uninitialized data segment (BSS) |
349              +----------------------------------+
350              |     initialized data segment     |
351              +----------------------------------+
352              |           code segment           |
353   0x08048000 +----------------------------------+
354              |                                  |
355              |                                  |
356              |                                  |
357              |                                  |
358              |                                  |
359            0 +----------------------------------+
360 @end group
361 @end example
362 @html
363 </CENTER>
364 @end html
366 In this project, the user stack is fixed in size, but in project 3 it
367 will be allowed to grow.  Traditionally, the size of the uninitialized
368 data segment can be adjusted with a system call, but you will not have
369 to implement this.
371 The code segment in Pintos starts at user virtual address
372 @t{0x08084000}, approximately 128 MB from the bottom of the address
373 space.  This value is specified in @bibref{SysV-i386} and has no deep
374 significance.
376 The linker sets the layout of a user program in memory, as directed by a
377 ``linker script'' that tells it the names and locations of the various
378 program segments.  You can learn more about linker scripts by reading
379 the ``Scripts'' chapter in the linker manual, accessible via @samp{info
380 ld}.
382 To view the layout of a particular executable, run @command{objdump}
383 (80@var{x}86) or @command{i386-elf-objdump} (SPARC) with the @option{-p}
384 option.
386 @node Accessing User Memory
387 @subsection Accessing User Memory
389 As part of a system
390 call, the kernel must often access memory through pointers provided by a user
391 program.  The kernel must be very careful about doing so, because
392 the user can pass a null pointer, a pointer to
393 unmapped virtual memory, or a pointer to kernel virtual address space
394 (above @code{PHYS_BASE}).  All of these types of invalid pointers must
395 be rejected without harm to the kernel or other running processes, by
396 terminating the offending process and freeing its resources.
398 There are at least two reasonable ways to do this correctly.  The
399 first method is to verify
400 the validity of a user-provided pointer, then dereference it.  If you
401 choose this route, you'll want to look at the functions in
402 @file{userprog/pagedir.c} and in @file{threads/vaddr.h}.  This is the
403 simplest way to handle user memory access.
405 The second method is to check only that a user
406 pointer points below @code{PHYS_BASE}, then dereference it.
407 An invalid user pointer will cause a ``page fault'' that you can
408 handle by modifying the code for @func{page_fault} in
409 @file{userprog/exception.cc}.  This technique is normally faster
410 because it takes advantage of the processor's MMU, so it tends to be
411 used in real kernels (including Linux).
413 In either case, you need to make sure not to ``leak'' resources.  For
414 example, suppose that your system call has acquired a lock or
415 allocated memory with @func{malloc}.  If you encounter an invalid user pointer
416 afterward, you must still be sure to release the lock or free the page
417 of memory.  If you choose to verify user pointers before dereferencing
418 them, this should be straightforward.  It's more difficult to handle
419 if an invalid pointer causes a page fault,
420 because there's no way to return an error code from a memory access.
421 Therefore, for those who want to try the latter technique, we'll
422 provide a little bit of helpful code:
424 @verbatim
425 /* Reads a byte at user virtual address UADDR.
426    UADDR must be below PHYS_BASE.
427    Returns the byte value if successful, -1 if a segfault
428    occurred. */
429 static int
430 get_user (const uint8_t *uaddr)
432   int result;
433   asm ("movl $1f, %0; movzbl %1, %0; 1:"
434        : "=&a" (result) : "m" (*uaddr));
435   return result;
438 /* Writes BYTE to user address UDST.
439    UDST must be below PHYS_BASE.
440    Returns true if successful, false if a segfault occurred. */
441 static bool
442 put_user (uint8_t *udst, uint8_t byte)
444   int error_code;
445   asm ("movl $1f, %0; movb %b2, %1; 1:"
446        : "=&a" (error_code), "=m" (*udst) : "r" (byte));
447   return error_code != -1;
449 @end verbatim
451 Each of these functions assumes that the user address has already been
452 verified to be below @code{PHYS_BASE}.  They also assume that you've
453 modified @func{page_fault} so that a page fault in the kernel merely
454 sets @code{eax} to @t{0xffffffff} and copies its former value
455 into @code{eip}.
457 @node Project 2 Suggested Order of Implementation
458 @section Suggested Order of Implementation
460 We suggest first implementing the following, which can happen in
461 parallel:
463 @itemize
464 @item
465 Argument passing (@pxref{Argument Passing}).  Every user program will
466 page fault immediately until argument passing is implemented.
468 For now, you may simply wish to change
469 @example
470 *esp = PHYS_BASE;
471 @end example
472 @noindent to
473 @example
474 *esp = PHYS_BASE - 12;
475 @end example
476 in @func{setup_stack}.  That will work for any test program that doesn't
477 examine its arguments, although its name will be printed as
478 @code{(null)}.
480 Until you implement argument passing, you should only run programs
481 without passing command-line arguments.  Attempting to pass arguments to
482 a program will include those arguments in the name of the program, which
483 will probably fail.
485 @item
486 User memory access (@pxref{Accessing User Memory}).  All system calls
487 need to read user memory.  Few system calls need to write to user
488 memory.
490 @item
491 System call infrastructure (@pxref{System Calls}).  Implement enough
492 code to read the system call number from the user stack and dispatch to
493 a handler based on it.
495 @item
496 The @code{exit} system call.  Every user program that finishes in the
497 normal way calls @code{exit}.  Even a program that returns from
498 @func{main} calls @code{exit} indirectly (see @func{_start} in
499 @file{lib/user/entry.c}).
501 @item
502 The @code{write} system call for writing to fd 1, the system console.
503 All of our test programs write to the console (the user process version
504 of @func{printf} is implemented this way), so they will all malfunction
505 until @code{write} is available.
507 @item
508 For now, change @func{process_wait} to an infinite loop (one that waits
509 forever).  The provided implementation returns immediately, so Pintos
510 will power off before any processes actually get to run.  You will
511 eventually need to provide a correct implementation.
512 @end itemize
514 After the above are implemented, user processes should work minimally.
515 At the very least, they can write to the console and exit correctly.
516 You can then refine your implementation so that some of the tests start
517 to pass.
519 @node Project 2 Requirements
520 @section Requirements
522 @menu
523 * Project 2 Design Document::   
524 * Process Termination Messages::  
525 * Argument Passing::            
526 * System Calls::                
527 * Denying Writes to Executables::  
528 @end menu
530 @node Project 2 Design Document
531 @subsection Design Document
533 Before you turn in your project, you must copy @uref{userprog.tmpl, ,
534 the project 2 design document template} into your source tree under the
535 name @file{pintos/src/userprog/DESIGNDOC} and fill it in.  We recommend
536 that you read the design document template before you start working on
537 the project.  @xref{Project Documentation}, for a sample design document
538 that goes along with a fictitious project.
540 @node Process Termination Messages
541 @subsection Process Termination Messages
543 Whenever a user process terminates, because it called @code{exit}
544 or for any other reason, print the process's name
545 and exit code, formatted as if printed by @code{printf ("%s:
546 exit(%d)\n", @dots{});}.  The name printed should be the full name
547 passed to @func{process_execute}, omitting command-line arguments.
548 Do not print these messages when a kernel thread that is not a user
549 process terminates, or
550 when the @code{halt} system call is invoked.  The message is optional
551 when a process fails to load.
553 Aside from this, don't print any other
554 messages that Pintos as provided doesn't already print.  You may find
555 extra messages useful during debugging, but they will confuse the
556 grading scripts and thus lower your score.
558 @node Argument Passing
559 @subsection Argument Passing
561 Currently, @func{process_execute} does not support passing arguments to
562 new processes.  Implement this functionality, by extending
563 @func{process_execute} so that instead of simply taking a program file
564 name as its argument, it divides it into words at spaces.  The first
565 word is the program name, the second word is the first argument, and so
566 on.  That is, @code{process_execute("grep foo bar")} should run
567 @command{grep} passing two arguments @code{foo} and @code{bar}.
569 Within a command line, multiple spaces are equivalent to a single
570 space, so that @code{process_execute("grep @w{ }foo @w{ }@w{ }bar")}
571 is equivalent to our original example.  You can impose a reasonable
572 limit on the length of the command line arguments.  For example, you
573 could limit the arguments to those that will fit in a single page (4
574 kB).  (There is an unrelated limit of 128 bytes on command-line
575 arguments that the @command{pintos} utility can pass to the kernel.)
577 You can parse argument strings any way you like.  If you're lost,
578 look at @func{strtok_r}, prototyped in @file{lib/string.h} and
579 implemented with thorough comments in @file{lib/string.c}.  You can
580 find more about it by looking at the man page (run @code{man strtok_r}
581 at the prompt).
583 @xref{Program Startup Details}, for information on exactly how you
584 need to set up the stack.
586 @node System Calls
587 @subsection System Calls
589 Implement the system call handler in @file{userprog/syscall.c}.  The
590 skeleton implementation we provide ``handles'' system calls by
591 terminating the process.  It will need to retrieve the system call
592 number, then any system call arguments, and carry out appropriate actions.
594 Implement the following system calls.  The prototypes listed are those
595 seen by a user program that includes @file{lib/user/syscall.h}.  (This
596 header, and all others in @file{lib/user}, are for use by user
597 programs only.)  System call numbers for each system call are defined in
598 @file{lib/syscall-nr.h}:
600 @deftypefn {System Call} void halt (void)
601 Terminates Pintos by calling @func{power_off} (declared in
602 @file{threads/init.h}).  This should be seldom used, because you lose
603 some information about possible deadlock situations, etc.
604 @end deftypefn
606 @deftypefn {System Call} void exit (int @var{status})
607 Terminates the current user program, returning @var{status} to the
608 kernel.  If the process's parent @code{wait}s for it (see below), this
609 is the status
610 that will be returned.  Conventionally, a @var{status} of 0 indicates
611 success and nonzero values indicate errors.
612 @end deftypefn
614 @deftypefn {System Call} pid_t exec (const char *@var{cmd_line})
615 Runs the executable whose name is given in @var{cmd_line}, passing any
616 given arguments, and returns the new process's program id (pid).  Must
617 return pid -1, which otherwise should not be a valid pid, if
618 the program cannot load or run for any reason.
619 @end deftypefn
621 @deftypefn {System Call} int wait (pid_t @var{pid})
622 Waits for process @var{pid} to die and returns the status it passed to
623 @code{exit}.  Returns -1 if @var{pid}
624 was terminated by the kernel (e.g.@: killed due to an exception).  If
625 @var{pid} is does not refer to a child of the
626 calling thread, or if @code{wait} has already been successfully
627 called for the given @var{pid}, returns -1 immediately, without
628 waiting.
630 You must ensure that Pintos does not terminate until the initial
631 process exits.  The supplied Pintos code tries to do this by calling
632 @func{process_wait} (in @file{userprog/process.c}) from @func{main}
633 (in @file{threads/init.c}).  We suggest that you implement
634 @func{process_wait} according to the comment at the top of the
635 function and then implement the @code{wait} system call in terms of
636 @func{process_wait}.
638 All of a process's resources, including its @struct{thread}, must be
639 freed whether its parent ever waits for it or not, and regardless of
640 whether the child exits before or after its parent.
642 Children are not inherited: if @var{A} has child @var{B} and
643 @var{B} has child @var{C}, then @code{wait(C)} always returns immediately
644 when called from @var{A}, even if @var{B} is dead.
646 Consider all the ways a wait can occur: nested waits (@var{A} waits
647 for @var{B}, then @var{B} waits for @var{C}), multiple waits (@var{A}
648 waits for @var{B}, then @var{A} waits for @var{C}), and so on.
650 Implementing this system call requires considerably more work than any
651 of the rest.
652 @end deftypefn
654 @deftypefn {System Call} bool create (const char *@var{file}, unsigned @var{initial_size})
655 Creates a new file called @var{file} initially @var{initial_size} bytes
656 in size.  Returns true if successful, false otherwise.
657 @end deftypefn
659 @deftypefn {System Call} bool remove (const char *@var{file})
660 Deletes the file called @var{file}.  Returns true if successful, false
661 otherwise.
662 @end deftypefn
664 @deftypefn {System Call} int open (const char *@var{file})
665 Opens the file called @var{file}.  Returns a nonnegative integer handle
666 called a ``file descriptor'' (fd), or -1 if the file could not be
667 opened.  
669 File descriptors numbered 0 and 1 are reserved for the console: fd 0
670 (@code{STDIN_FILENO}) is standard input, fd 1 (@code{STDOUT_FILENO}) is
671 standard output.  The @code{open} system call will never return either
672 of these file descriptors, which are valid as system call arguments only
673 as explicitly described below.
675 Each process has an independent set of file descriptors.  File
676 descriptors are not inherited by child processes.
677 @end deftypefn
679 @deftypefn {System Call} int filesize (int @var{fd})
680 Returns the size, in bytes, of the file open as @var{fd}.
681 @end deftypefn
683 @deftypefn {System Call} int read (int @var{fd}, void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
684 Reads @var{size} bytes from the file open as @var{fd} into
685 @var{buffer}.  Returns the number of bytes actually read (0 at end of
686 file), or -1 if the file could not be read (due to a condition other
687 than end of file).  Fd 0 reads from the keyboard using
688 @func{input_getc}.
689 @end deftypefn
691 @deftypefn {System Call} int write (int @var{fd}, const void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
692 Writes @var{size} bytes from @var{buffer} to the open file @var{fd}.
693 Returns the number of bytes actually written, or -1 if the file could
694 not be written.
696 Writing past end-of-file would normally extend the file, but file growth
697 is not implemented by the basic file system.  The expected behavior is
698 to write as many bytes as possible up to end-of-file and return the
699 actual number written, or -1 if no bytes could be written at all.
701 Fd 1 writes to the console.  Your code to write to the console should
702 write all of @var{buffer} in one call to @func{putbuf}, at least as
703 long as @var{size} is not bigger than a few hundred bytes.  (It is
704 reasonable to break up larger buffers.)  Otherwise,
705 lines of text output by different processes may end up interleaved on
706 the console, confusing both human readers and our grading scripts.
707 @end deftypefn
709 @deftypefn {System Call} void seek (int @var{fd}, unsigned @var{position})
710 Changes the next byte to be read or written in open file @var{fd} to
711 @var{position}, expressed in bytes from the beginning of the file.
712 (Thus, a @var{position} of 0 is the file's start.)
714 A seek past the current end of a file is not an error.  A later read
715 obtains 0 bytes, indicating end of file.  A later write extends the
716 file, filling any unwritten gap with zeros.  (However, in Pintos files
717 have a fixed length until project 4 is complete, so writes past end of
718 file will return an error.)  These semantics are implemented in the
719 file system and do not require any special effort in system call
720 implementation.
721 @end deftypefn
723 @deftypefn {System Call} unsigned tell (int @var{fd})
724 Returns the position of the next byte to be read or written in open
725 file @var{fd}, expressed in bytes from the beginning of the file.
726 @end deftypefn
728 @deftypefn {System Call} void close (int @var{fd})
729 Closes file descriptor @var{fd}.  
730 Exiting or terminating a process implicitly closes all its open file
731 descriptors, as if by calling this function for each one.
732 @end deftypefn
734 The file defines other syscalls.  Ignore them for now.  You will
735 implement some of them in project 3 and the rest in project 4, so be
736 sure to design your system with extensibility in mind.
738 To implement syscalls, you need to provide ways to read and write data
739 in user virtual address space.
740 You need this ability before you can
741 even obtain the system call number, because the system call number is
742 on the user's stack in the user's virtual address space.
743 This can be a bit tricky: what if the user provides an invalid
744 pointer, a pointer into kernel memory, or a block
745 partially in one of those regions?  You should handle these cases by
746 terminating the user process.  We recommend
747 writing and testing this code before implementing any other system
748 call functionality.  @xref{Accessing User Memory}, for more information.
750 You must synchronize system calls so that
751 any number of user processes can make them at once.  In particular, it
752 is not safe to call into the file system code provided in the
753 @file{filesys} directory from multiple threads at once.  Your system
754 call implementation must treat the file system code as a critical
755 section.  Don't forget
756 that @func{process_execute} also accesses files.  For now, we
757 recommend against modifying code in the @file{filesys} directory.
759 We have provided you a user-level function for each system call in
760 @file{lib/user/syscall.c}.  These provide a way for user processes to
761 invoke each system call from a C program.  Each uses a little inline
762 assembly code to invoke the system call and (if appropriate) returns the
763 system call's return value.
765 When you're done with this part, and forevermore, Pintos should be
766 bulletproof.  Nothing that a user program can do should ever cause the
767 OS to crash, panic, fail an assertion, or otherwise malfunction.  It is
768 important to emphasize this point: our tests will try to break your
769 system calls in many, many ways.  You need to think of all the corner
770 cases and handle them.  The sole way a user program should be able to
771 cause the OS to halt is by invoking the @code{halt} system call.
773 If a system call is passed an invalid argument, acceptable options
774 include returning an error value (for those calls that return a
775 value), returning an undefined value, or terminating the process.
777 @xref{System Call Details}, for details on how system calls work.
779 @node Denying Writes to Executables
780 @subsection Denying Writes to Executables
782 Add code to deny writes to files in use as executables.  Many OSes do
783 this because of the unpredictable results if a process tried to run code
784 that was in the midst of being changed on disk.  This is especially
785 important once virtual memory is implemented in project 3, but it can't
786 hurt even now.
788 You can use @func{file_deny_write} to prevent writes to an open file.
789 Calling @func{file_allow_write} on the file will re-enable them (unless
790 the file is denied writes by another opener).  Closing a file will also
791 re-enable writes.  Thus, to deny writes to a process's executable, you
792 must keep it open as long as the process is still running.
794 @node Project 2 FAQ
795 @section FAQ
797 @table @asis
798 @item How much code will I need to write?
800 Here's a summary of our reference solution, produced by the
801 @command{diffstat} program.  The final row gives total lines inserted
802 and deleted; a changed line counts as both an insertion and a deletion.
804 The reference solution represents just one possible solution.  Many
805 other solutions are also possible and many of those differ greatly from
806 the reference solution.  Some excellent solutions may not modify all the
807 files modified by the reference solution, and some may modify files not
808 modified by the reference solution.
810 @verbatim
811  threads/thread.c     |   13 
812  threads/thread.h     |   26 +
813  userprog/exception.c |    8 
814  userprog/process.c   |  247 ++++++++++++++--
815  userprog/syscall.c   |  468 ++++++++++++++++++++++++++++++-
816  userprog/syscall.h   |    1 
817  6 files changed, 725 insertions(+), 38 deletions(-)
818 @end verbatim
820 @item The kernel always panics when I run @code{pintos -p @var{file} -- -q}.
822 Did you format the disk (with @samp{pintos -f})?
824 Is your file name too long?  The file system limits file names to 14
825 characters.  A command like @samp{pintos -p ../../examples/echo -- -q}
826 will exceed the limit.  Use @samp{pintos -p ../../examples/echo -a echo
827 -- -q} to put the file under the name @file{echo} instead.
829 Is the file system full?
831 Does the file system already contain 16 files?  The base Pintos file
832 system has a 16-file limit.
834 The file system may be so fragmented that there's not enough contiguous
835 space for your file.
837 @item When I run @code{pintos -p ../file --}, @file{file} isn't copied.
839 Files are written under the name you refer to them, by default, so in
840 this case the file copied in would be named @file{../file}.  You
841 probably want to run @code{pintos -p ../file -a file --} instead.
843 @item All my user programs die with page faults.
845 This will happen if you haven't implemented argument passing
846 (or haven't done so correctly).  The basic C library for user programs tries
847 to read @var{argc} and @var{argv} off the stack.  If the stack
848 isn't properly set up, this causes a page fault.
850 @item All my user programs die with @code{system call!}
852 You'll have to implement system calls before you see anything else.
853 Every reasonable program tries to make at least one system call
854 (@func{exit}) and most programs make more than that.  Notably,
855 @func{printf} invokes the @code{write} system call.  The default system
856 call handler just prints @samp{system call!} and terminates the program.
857 Until then, you can use @func{hex_dump} to convince yourself that
858 argument passing is implemented correctly (@pxref{Program Startup Details}).
860 @item How can I can disassemble user programs?
862 The @command{objdump} (80@var{x}86) or @command{i386-elf-objdump}
863 (SPARC) utility can disassemble entire user
864 programs or object files.  Invoke it as @code{objdump -d
865 @var{file}}.  You can use GDB's
866 @code{disassemble} command to disassemble individual functions
867 (@pxref{GDB}).
869 @item Why do many C include files not work in Pintos programs?
870 @itemx Can I use lib@var{foo} in my Pintos programs?
872 The C library we provide is very limited.  It does not include many of
873 the features that are expected of a real operating system's C library.
874 The C library must be built specifically for the operating system (and
875 architecture), since it must make system calls for I/O and memory
876 allocation.  (Not all functions do, of course, but usually the library
877 is compiled as a unit.)
879 The chances are good that the library you want uses parts of the C library
880 that Pintos doesn't implement.  It will probably take at least some
881 porting effort to make it work under Pintos.  Notably, the Pintos
882 user program C library does not have a @func{malloc} implementation.
884 @item How do I compile new user programs?
886 Modify @file{src/examples/Makefile}, then run @command{make}.
888 @item Can I run user programs under a debugger?
890 Yes, with some limitations.  @xref{Debugging User Programs}.
892 @item What's the difference between @code{tid_t} and @code{pid_t}?
894 A @code{tid_t} identifies a kernel thread, which may have a user
895 process running in it (if created with @func{process_execute}) or not
896 (if created with @func{thread_create}).  It is a data type used only
897 in the kernel.
899 A @code{pid_t} identifies a user process.  It is used by user
900 processes and the kernel in the @code{exec} and @code{wait} system
901 calls.
903 You can choose whatever suitable types you like for @code{tid_t} and
904 @code{pid_t}.  By default, they're both @code{int}.  You can make them
905 a one-to-one mapping, so that the same values in both identify the
906 same process, or you can use a more complex mapping.  It's up to you.
907 @end table
909 @menu
910 * Argument Passing FAQ::        
911 * System Calls FAQ::            
912 @end menu
914 @node Argument Passing FAQ
915 @subsection Argument Passing FAQ
917 @table @asis
918 @item Isn't the top of stack in kernel virtual memory?
920 The top of stack is at @code{PHYS_BASE}, typically @t{0xc0000000}, which
921 is also where kernel virtual memory starts.
922 But before the processor pushes data on the stack, it decrements the stack
923 pointer.  Thus, the first (4-byte) value pushed on the stack
924 will be at address @t{0xbffffffc}.
926 @item Is @code{PHYS_BASE} fixed?
928 No.  You should be able to support @code{PHYS_BASE} values that are
929 any multiple of @t{0x10000000} from @t{0x80000000} to @t{0xf0000000},
930 simply via recompilation.
931 @end table
933 @node System Calls FAQ
934 @subsection System Calls FAQ
936 @table @asis
937 @item Can I just cast a @code{struct file *} to get a file descriptor?
938 @itemx Can I just cast a @code{struct thread *} to a @code{pid_t}?
940 You will have to make these design decisions yourself.
941 Most operating systems do distinguish between file
942 descriptors (or pids) and the addresses of their kernel data
943 structures.  You might want to give some thought as to why they do so
944 before committing yourself.
946 @item Can I set a maximum number of open files per process?
948 It is better not to set an arbitrary limit.  You may impose a limit of
949 128 open files per process, if necessary.
951 @item What happens when an open file is removed?
952 @anchor{Removing an Open File}
954 You should implement the standard Unix semantics for files.  That is, when
955 a file is removed any process which has a file descriptor for that file
956 may continue to use that descriptor.  This means that
957 they can read and write from the file.  The file will not have a name,
958 and no other processes will be able to open it, but it will continue
959 to exist until all file descriptors referring to the file are closed
960 or the machine shuts down.
962 @item How can I run user programs that need more than 4 kB stack space?
964 You may modify the stack setup code to allocate more than one page of
965 stack space for each process.  In the next project, you will implement a
966 better solution.
967 @end table
969 @node 80x86 Calling Convention
970 @section 80@var{x}86 Calling Convention
972 This section summarizes important points of the convention used for
973 normal function calls on 32-bit 80@var{x}86 implementations of Unix.
974 Some details are omitted for brevity.  If you do want all the details,
975 refer to @bibref{SysV-i386}.
977 The calling convention works like this:
979 @enumerate 1
980 @item
981 The caller pushes each of the function's arguments on the stack one by
982 one, normally using the @code{PUSH} assembly language instruction.
983 Arguments are pushed in right-to-left order.
985 The stack grows downward: each push decrements the stack pointer, then
986 stores into the location it now points to, like the C expression
987 @samp{*--sp = @var{value}}.
989 @item
990 The caller pushes the address of its next instruction (the @dfn{return
991 address}) on the stack and jumps to the first instruction of the callee.
992 A single 80@var{x}86 instruction, @code{CALL}, does both.
994 @item
995 The callee executes.  When it takes control, the stack pointer points to
996 the return address, the first argument is just above it, the second
997 argument is just above the first argument, and so on.
999 @item
1000 If the callee has a return value, it stores it into register @code{EAX}.
1002 @item
1003 The callee returns by popping the return address from the stack and
1004 jumping to the location it specifies, using the 80@var{x}86 @code{RET}
1005 instruction.
1007 @item
1008 The caller pops the arguments off the stack.
1009 @end enumerate
1011 Consider a function @func{f} that takes three @code{int} arguments.
1012 This diagram shows a sample stack frame as seen by the callee at the
1013 beginning of step 3 above, supposing that @func{f} is invoked as
1014 @code{f(1, 2, 3)}.  The initial stack address is arbitrary:
1016 @html
1017 <CENTER>
1018 @end html
1019 @example
1020                              +----------------+
1021                   0xbffffe7c |        3       |
1022                   0xbffffe78 |        2       |
1023                   0xbffffe74 |        1       |
1024 stack pointer --> 0xbffffe70 | return address |
1025                              +----------------+
1026 @end example
1027 @html
1028 </CENTER>
1029 @end html
1031 @menu
1032 * Program Startup Details::     
1033 * System Call Details::         
1034 @end menu
1036 @node Program Startup Details
1037 @subsection Program Startup Details
1039 The Pintos C library for user programs designates @func{_start}, in
1040 @file{lib/user/entry.c}, as the entry point for user programs.  This
1041 function is a wrapper around @func{main} that calls @func{exit} if
1042 @func{main} returns:
1044 @example
1045 void
1046 _start (int argc, char *argv[]) 
1048   exit (main (argc, argv));
1050 @end example
1052 The kernel must put the arguments for the initial function on the stack
1053 before it allows the user program to begin executing.  The arguments are
1054 passed in the same way as the normal calling convention (@pxref{80x86
1055 Calling Convention}).
1057 Consider how to handle arguments for the following example command:
1058 @samp{/bin/ls -l foo bar}.
1059 First, break the command into words: @samp{/bin/ls},
1060 @samp{-l}, @samp{foo}, @samp{bar}.  Place the words at the top of the
1061 stack.  Order doesn't matter, because they will be referenced through
1062 pointers.
1064 Then, push the address of each string plus a null pointer sentinel, on
1065 the stack, in right-to-left order.  These are the elements of
1066 @code{argv}.  The order ensure that @code{argv[0]} is at the lowest
1067 virtual address.  Word-aligned accesses are faster than unaligned
1068 accesses, so for best performance round the stack pointer down to a
1069 multiple of 4 before the first push.
1071 Then, push @code{argv} (the address of @code{argv[0]}) and @code{argc},
1072 in that order.  Finally, push a fake ``return address'': although the
1073 entry function will never return, its stack frame must have the same
1074 structure as any other.
1076 The table below show the state of the stack and the relevant registers
1077 right before the beginning of the user program, assuming
1078 @code{PHYS_BASE} is @t{0xc0000000}:
1080 @html
1081 <CENTER>
1082 @end html
1083 @multitable {@t{0xbfffffff}} {return address} {@t{/bin/ls\0}} {@code{void (*) ()}}
1084 @item Address @tab Name @tab Data @tab Type
1085 @item @t{0xbffffffc} @tab @code{argv[3][@dots{}]} @tab @samp{bar\0} @tab @code{char[4]}
1086 @item @t{0xbffffff8} @tab @code{argv[2][@dots{}]} @tab @samp{foo\0} @tab @code{char[4]}
1087 @item @t{0xbffffff5} @tab @code{argv[1][@dots{}]} @tab @samp{-l\0} @tab @code{char[3]}
1088 @item @t{0xbfffffed} @tab @code{argv[0][@dots{}]} @tab @samp{/bin/ls\0} @tab @code{char[8]}
1089 @item @t{0xbfffffec} @tab word-align @tab 0 @tab @code{uint8_t}
1090 @item @t{0xbfffffe8} @tab @code{argv[4]} @tab @t{0} @tab @code{char *}
1091 @item @t{0xbfffffe4} @tab @code{argv[3]} @tab @t{0xbffffffc} @tab @code{char *}
1092 @item @t{0xbfffffe0} @tab @code{argv[2]} @tab @t{0xbffffff8} @tab @code{char *}
1093 @item @t{0xbfffffdc} @tab @code{argv[1]} @tab @t{0xbffffff5} @tab @code{char *}
1094 @item @t{0xbfffffd8} @tab @code{argv[0]} @tab @t{0xbfffffed} @tab @code{char *}
1095 @item @t{0xbfffffd4} @tab @code{argv} @tab @t{0xbfffffd8} @tab @code{char **}
1096 @item @t{0xbfffffd0} @tab @code{argc} @tab 4 @tab @code{int}
1097 @item @t{0xbfffffcc} @tab return address @tab 0 @tab @code{void (*) ()}
1098 @end multitable
1099 @html
1100 </CENTER>
1101 @end html
1103 In this example, the stack pointer would be initialized to
1104 @t{0xbfffffcc}.
1106 As shown above, your code should start the stack at the very top of
1107 the user virtual address space, in the page just below virtual address
1108 @code{PHYS_BASE} (defined in @file{threads/vaddr.h}).
1110 You may find the non-standard @func{hex_dump} function, declared in
1111 @file{<stdio.h>}, useful for debugging your argument passing code.
1112 Here's what it would show in the above example:
1114 @verbatim
1115 bfffffc0                                      00 00 00 00 |            ....|
1116 bfffffd0  04 00 00 00 d8 ff ff bf-ed ff ff bf f5 ff ff bf |................|
1117 bfffffe0  f8 ff ff bf fc ff ff bf-00 00 00 00 00 2f 62 69 |............./bi|
1118 bffffff0  6e 2f 6c 73 00 2d 6c 00-66 6f 6f 00 62 61 72 00 |n/ls.-l.foo.bar.|
1119 @end verbatim
1121 @node System Call Details
1122 @subsection System Call Details
1124 The first project already dealt with one way that the operating system
1125 can regain control from a user program: interrupts from timers and I/O
1126 devices.  These are ``external'' interrupts, because they are caused
1127 by entities outside the CPU (@pxref{External Interrupt Handling}).
1129 The operating system also deals with software exceptions, which are
1130 events that occur in program code (@pxref{Internal Interrupt
1131 Handling}).  These can be errors such as a page fault or division by
1132 zero.  Exceptions are also the means by which a user program
1133 can request services (``system calls'') from the operating system.
1135 In the 80@var{x}86 architecture, the @samp{int} instruction is the
1136 most commonly used means for invoking system calls.  This instruction
1137 is handled in the same way as other software exceptions.  In Pintos,
1138 user programs invoke @samp{int $0x30} to make a system call.  The
1139 system call number and any additional arguments are expected to be
1140 pushed on the stack in the normal fashion before invoking the
1141 interrupt (@pxref{80x86 Calling Convention}).
1143 Thus, when the system call handler @func{syscall_handler} gets control,
1144 the system call number is in the 32-bit word at the caller's stack
1145 pointer, the first argument is in the 32-bit word at the next higher
1146 address, and so on.  The caller's stack pointer is accessible to
1147 @func{syscall_handler} as the @samp{esp} member of the
1148 @struct{intr_frame} passed to it.  (@struct{intr_frame} is on the kernel
1149 stack.)
1151 The 80@var{x}86 convention for function return values is to place them
1152 in the @code{EAX} register.  System calls that return a value can do
1153 so by modifying the @samp{eax} member of @struct{intr_frame}.
1155 You should try to avoid writing large amounts of repetitive code for
1156 implementing system calls.  Each system call argument, whether an
1157 integer or a pointer, takes up 4 bytes on the stack.  You should be able
1158 to take advantage of this to avoid writing much near-identical code for
1159 retrieving each system call's arguments from the stack.