[嵌入式]进程的切换的过程

一、进程何时切换？

中断时切换，包括：

外部中断，异常，系统调用

二、中断可以分为哪几类？

1、外部中断，也简称中断

????????由CPU外部设备引起的外部事件如I/O中断、时钟中断、控制台中断等是异步产生的（即产生的时刻不确定），与CPU的执行无关

2、内部中断,也简称异常,

????????在CPU执行指令期间检测到不正常的或非法的条件(如除零错、地址访问越界)所引起的内部事件称作，也称内部中断

3、陷入中断，简称软中断，使用请求系统服务的系统调用而引发的事件

三、外部中断是什么？为何引入外部中断？

????????外部设备的速度远远低于CPU的速度，为了提高CPU的利用率，引入了中断机制（中断是系统?来响应硬件设备请求的?种机制）

????????当CPU收到中断信号或异常事件后，它会暂停当前的程序或任务，在操作系统处理与硬件相关的事情时，CPU去处理与这个信号相关的工作(这样就不用一直等待IO了，通常以内核线程执行)，在完成对这个事件的处理后再跳回到刚才被打断的程序或任务中；

四、进程执行系统调用的过程？

1、程序跳入陷阱(trap)是什么？

????????程序指令跳入内核并将特权提升到内核态，此外为了确保操作系统能从陷阱经指令正确返回，处理器会将程序计数器、标志和其他一些寄存器的内容推送到每个进程的内核栈中，返回陷阱则将从栈中弹出这些值，并恢复执行用户态（操作系统执行完系统调用返回后，会检查当前进程是否处于就绪状态，时间片是否用完，如果用完就去schedule()调用其他进程，否则出栈寄存器，恢复现场)

2、所谓的陷阱表是什么?

????????陷阱表是使陷阱指令与OS要运行的代码对应起来(不能直接跳转到要运行的地址，这样不安全)通过设置陷阱表，OS能将异常事件与需要运行的代码对应起来。

如果一个程序直接在CPU中运行，总过程？（一行一行看）

怎么就一个进程，不是说进程的切换吗？

上面讲述了程序执行系统调用的过程，系统调用有点特别。

先考虑以下场景，假如一个进程在CPU运行，这就意味着操作系统没有运行，如果操作系统没有'运行'，他就不能做事。所以他如何重获CPU控制权?

刚才我们看到了在系统调用时，操作系统获得了CPU控制权，其实在过去的某些系统(早期的Macintosh操作系统)就是等待系统调用使操作系统获取CPU控制权；

一个进程在系统调用时，如打开文件并随后读取文件，或者创建新进程，再或者什么也不干就显示地调用yield系统调用，只是将控制权交给操作系统，操作系统获得了CPU的控制权，他可以运行其他进程。

但是，这种被动的方式不太理想，不安全，假如进程进入无限循环从不进行系统调用，操作系统就获得不了主动权。

五、操作系统如何实现进程之间的切换？

1、操作系统如何主动获得控制权？

利用时钟中断获得控制权：时钟设备可以编程每隔几毫秒产生一次中断，当产生中断时，正在运行的程序停止，操作系统中预先配置的中断处理程序会先运行，此时操作系统重新获取CPU控制权。

注意，硬件发生中断时有一定的责任，尤其是中断发生时，要为正在运行的程序保存足够的状态，以便随后从陷阱返回指令能够正确恢复正在运行的程序(各种寄存器进入内核栈，这与显式调用系统调用陷入内核时的行为相似)。

2、保存和恢复上下文(上下文切换)

我们知道操作系统可以通过时钟中断获取CPU的控制权，那么之后操作系统选择运行哪个进程就是调度程序做出的，它是操作系统的一部分(有着相应的调度策略);

如果决定切换，OS就会决定执行一些底层代码。总的来说是将当前正在运行进程寄存器中的值保存到内核栈中，并为即将要执行的进程从内核栈中恢复一些寄存器的值。这样操作系统可以确保最后执行从陷阱返回指令时，不是返回到之前运行的进程，而是继续执行另一个进程。

为了保存当前正在运行的进程的上下文，操作系统会执行一些底层汇编代码，用来保存通用寄存器、程序计数器，以及当前正在运行的进程的内核栈指针，然后恢复寄存器、程序计数器，并切换内核栈，供即将运行的进程使用。

通过切换内核栈，内核在进入切换代码系统调用时，是一个被中断进程的上下文，在返回时，是另一个即将执行的进程的上下文。当操作系统最终执行从陷阱返回指令时，即将执行的进程就编程了当前运行的进程。至此上下文切换完成。

下面是进程切换的具体过程：

在这个过程中，发生了两种类型的寄存器保存恢复

第一次:发生时钟中断时，由硬件隐式保存

第二次:操作系统决定A切换B进程，内核寄存器被软件(OS)明确保存