[嵌入式]操作系统(3) 进程描述和控制

1.进程概念

1.1 进程和进程控制块

进程:程序在一个数据集上的一次执行过程

进程与程序的联系和区别

程序是静态的；进程是动态的（动态产生和消亡），而且一个进程运行时可以创建其他进程

一个程序可以对应一个进程，也可以对应多个进程（只要进程所对应的数据集不同）

进程的组成(进程映像):①程序代码 ②数据集、栈

③进程控制块(process control block 简写为PCB，PCB是进程存在的唯一标识，OS根据PCB中的属性控制进程)

概念补充

上下文:进程运行时CPU的寄存器数据集合（现场），包括用户可见寄存器和控制/状态寄存器等

分派器（即进程调度程序）调度时发生上下文切换：保存旧进程的上下文到它的PCB，从新进程的PCB恢复它的新上下文到寄存器

简单理解一个实例:设有一进程P0正在CPU上执行,某时刻P0发出I/O请求,发生了阻塞（或者是时间片结束，发生了中断），此时发生进程切换，这时候则引起上下文切换，保存现场到PCB0，放入队列,此时P1符合使用CPU的要求，则从PCB1中恢复现场，P1开始执行，执行过程发生中断(设此时P0的I/O结束,发生中断),发生进程切换,此时保存现场到PCB1，从PCB0中恢复现场，继续执行。

引入线程,由于实现了并发执行和资源共享，可带来资源利用率和吞吐率的好处，但却增加了系统的时间和空间开销

吞吐率原指一个业务系统在单位时间内提供的产量（或服务量）。在计算机或数据通信系统，指的是单位时间内通过某通信信道（a communication channel）或某个节点成功交付数据的平均速率，通常以每秒比特数（bps， bits per second ）为单位。

资源利用率的定义各不相同,在操作系统层面上，可以集中观点在CPU上，即CPU的利用率等。

2.进程的创建和终止?

分派器的作用:选择并调度一个进程，使之占用CPU运行

进程创建:OS为该进程建立PCB（唯一标识），分配内存空间。

进程终止:回收内存，释放资源，销毁PCB

3.?进程的五状态模型

新建(new):进程正被创建。分配内存后将被设为就绪态

就绪(ready):进程已得到除CPU以外的其它所需资源

运行(running):进程的指令正在被运行

阻塞(等待)(blocking):进程正等待资源或者某事件发生

退出(exit):进程已正常或者异常结束，回收资源，善后

首先一个进程被新建，加载必要资源（除CPU外）内存等后进入就绪状态，等待分派器调度，当分派器指定该进程被调度时，进入运行状态,当在运行过程中，进程时间片完或者是更高优先级的进程被调度时，进程从运行态进入就绪态，等待再次被调度，如果是进程在运行过程中需要等待某事完成（如I/O），则此时进入阻塞状态，此时若有其他进程需要使用CPU，则会发生进程切换，分派指派新的进程执行，当需要等待的某事完成后，该进程从阻塞态恢复为就绪态，等待被分派器调度，当运行完成后，结束，退出。

如图：

?

进程队列

处于同一状态的进程PCB组成一个进程队列

就绪队列:所有就绪进程按FCFS（first?come?first?service）或者优先级顺序排队

等待（阻塞）队列:每一种等待事件对应于一个队列(比如说I/O的归到I/O的那一队，因为中断而阻塞的归到一队)

如图

PCB数量

OS中PCB数量固定或不固定，但总是有限的

1 、一个多任务双核处理机系统，其操作系统

是 UNIX ， PCB 表的规模是 100 行，则：

最多有 ____ 2 _____ 个进程处于运行态；

最多有 ____ 98 ____ 个进程处于就绪态

最多有____100__个进程处于阻塞态

解析:由于双核,由于CPU一个时刻内只能运行一个进程,那么最多只有两个进程同时运行

当所有进程都是就绪时，不可能所有进程都不运行（或者是阻塞状态，这个阻塞的前提条件也是进程进入了运行状态），那么最多只有98个进程是就绪态的

当所有的进程都因为I/O等时间需要阻塞时，这时候所有进程都阻塞。

2.设某 UNIX 中每个用户创建进程数最大为 50 个， 现有一用户执行某程序，该程序执行一死循环，循 环创建新子进程。则当该进程创建了 ___ 4 9 ___ 个子进程后不能再创建，该进程处于阻塞状态

解析:创建子进程可以以fork()函数来举例,此时相当于发生了系统调用(trap),是中断的一种,因此是阻塞状态

4.被挂起的进程-两种挂起态

为什么需要挂起?

内存不足，不得不把部分进程交换到磁盘

就绪挂起态、阻塞挂起态：外存就绪/阻塞态。由于内存有限，将原位于内存的就绪/阻塞进程（代码数据）换出到外存（磁盘）上

解除挂起：当挂起进程优先级高或内存空间足够时，把位于磁盘的挂起进程（代码数据）换入到内存中

?一个基本挂起态机制如上图所示，其中与挂起态无关的过程与五状态模型的运行机制完全一致，变为就绪挂起态的时机有三个：①当进程刚刚新建，但是内存不足，就会被直接加载到磁盘中去②当进程变为就绪态时但没有被调度而且内存不足时，也会被加载到磁盘中③当进程在运行中，内存不足时也会被挂起运行，变为就绪挂起态，阻塞挂起态相对简单，当一个进程长时间阻塞而又占用内存时，此时就会被换出到磁盘中，需要注意的是尽管代码数据被换出到外存了，但是PCB始终还是在内存中，

假设有些进程处于就绪态，有些处于就绪挂起态，而且至少有一个就绪挂起态进程的优先级高于所有就绪态进程，有两种极端策略：①总是调度处于就绪态的进程，以减少交换②总是调度优先级最高的进程，会导致不必要的交换。

请给出一种均衡考虑优先级和交换性能的中间策略

一种折中的方案是：将就绪挂起进程降低1-2个优先级，如果它仍然高于所有就绪进程的最高优先级，那么就将它换入内存执行。?

5.进程描述

?5.1?操作系统的控制结构

?OS构造而且维护所管理的每个实体的信息表，4类：

?①内存表：跟踪内存（实存）和外存（虚拟内存）

?②I/O表：管理I/O设备和通道

?③文件表：文件属性

?④进程表：PCB集合

?5.2?进程的控制结构-PCB

?PCB:进程属性的集合,在OS中进程表包含了所有进程的PCB，创建新进程时，分配进程表中一个空闲PCB，填写属性，在进程终止时回收PCB

?

该图解释了PCB表是如何与寄存器等基础设施进行进程控制的，首先PCB表中有索引，以该索引来表示表示该表项控制哪一个进程，基址寄存器则是标明了当前进程的代码数据所在内存的基址位置，而界限寄存器则是标明了当前进程的代码数据结束的地址位置，程序计数器则是存储了当前进程执行的指令，通过这么一套配合下来，实现进程的访问控制。

5.3 PCB的属性解析?

?

?5.4?进程控制结构-(program status word,psw)PSW?

?程序状态字寄存器：指明CPU当前特权级别、中断屏蔽码（中断优先级等）

6.进程控制

CPU有两种执行模式（CPU状态）该状态由PSW中的模式位指示：

用户态：只能执行非特权指令

系统态：也称核心态、内核态、特权态、控制态、管态。可以执行所有的指令（特权指令和非特权指令），使用所有资源以及改变CPU状态

两类指令：特权指令：在系统态下执行的指令（OS内核使用）非特权指令：用户态下执行（用户程序）

6.1?执行模式-CPU特权级别

当CPU要执行特权指令时，会引起“陷入trap”，也就是CPU由用户态切换到系统态（称为模式切换），然后去执行OS内核中的一段（特权指令）代码。可以简要描述为：首先CPU在执行用户指令，此时是用户态，此时要执行特权指令，则会转入系统态，执行内核代码，完成后则由转回用户态，继续执行非特权指令。

CPU从用户态到系统态的时机:①执行系统调用（即内核代码，由OS提供服务）时②发生中断或异常时，执行中断处理程序

从系统态到用户态的过程：系统调用或中断处理完毕之后，执行IRTE（中断返回）指令，恢复原进程的PSW，回到用户态。

一个简单的例子：当CPU在用户态下执行指令时，此时需要系统调用或者中断处理，就会从用户态转为系统态，注意，当在系统态下发生中断嵌套时，响应另一中断、中断返回在系统态运行时也可以响应中断

下列选项中，不可能在用户态下 发生 的是（C）

A.系统调用 B.外部中断 C.进程切换 D.缺页

解析：注意问题问的是在用户态下发生。

A.系统调用可以是在用户程序执行时发出，请求操作系统的服务。

B.外部中断也可以在用户执行时发生，例如外部的设备断电等

C.进程切换是在进程调度中发生，而进程调度是在内核中进行的，因此是系统态下执行，故选C

D.用户在请求Cache内的内容时，若所需要的数据不在页中，这时候就会发生缺页，是可以存在的

可以在用户态下执行处理的指令是__(D)__

A.关中断 B.输入/输出 C.系统调用 D.从内存中取数

解析：注意输入、输出、系统调用和中断处理都属于OS内核

发生模式切换可以不改变当前运行态进程的状态(√)

7.进程创建

创建新进程的步骤:

①给新进程分配一个新的PCB和唯一的PID

②给进程分配内存空间（代码、栈、数据）

③初始化PCB：各属性取默认值或者所请求的值，在UNIX中，子进程PCB基本复制自父进程PCB

④将PCB放置到就绪队列或就绪挂起队列

⑤创建其他数据结构：如记账、日志等

8.进程切换

何时进行进程切换?

中断发生时：如时钟中断。当前进程的时间片结束，让出CPU，调度新进程，因此发生新旧进程切换

陷阱发生时：当前进程的指令产生错误或异常，非致命时重试或者报告，致命时将直接结束本进程，调度新进程

当前进程执行系统调用时，通常会被阻塞，让出CPU

进程切换的步骤：

①保存当前的上下文到对应的进程PCB上（保存现场），更新PCB，将PCB转移到相应的就绪队列或者阻塞队列

②选择（调度）另外一个就绪进程，准备执行

③更新该进程PCB，从就绪队列中移出，更新内存管理的数据结构（如设置页表指针、基址/界限寄存器）将该进程的上下文恢复到寄存器中

进程创建时，不需要为该进程做的是(D)

A.填写进程表(PCB)项

B.分配内存

C.将它插入就绪队列

D.分配CPU

解析:创建时未进入运行状态，在运行之前做的工作都仅仅是分配内存，分配地址等工作，分配CPU是在即将要运行时才进行

___一定会引起进程切换

A.一个进程创建后，进入就绪状态

B.一个进程由运行状态变为就绪状态

C.一个进程从阻塞状态变为就绪状态

D.以上答案都不对

解析：这道题可以这么理解,由于题目未提及发生中断的情况，因此都是①③种情况，此时都是针对CPU的，只需要在ABC中看哪个选项的CPU执行对象发生了变化,A只是将进程送入了就绪队列，未涉及CPU，不选，B一个进程由运行切换为就绪，那么是CPU让出了给别的进程，发生了进程切换，C与A同理

进程类型

孤儿进程:其父进程已经结束的进程

僵尸进程:已经exit()，但其PCB依然存在，但其父没有调用wait()函数等待其结束，也没有忽略SIGCHLD信号，该进程处于僵尸状态?