进程上下文与中断上下文

进程上下文与中断上下文 处理器总处于以下状态中的一种: 1、内核态，运行于进程上下文，内核代进程运行于内核空间。 2、内核态，运行于中断上下文，内核代表硬件运行于内核空间。 3、用户态，运行于用户空间。 进程上下文: 在Linux中，用户程序装入系统形成一个进程的实质是系统为用户程序提供一个完整的运行环境。进程的运行环境是由它的程序代码和程序运行所需要的数据结构以及硬件环境组成的。进程的运行环境主要包括: 1.进程空间中的代码和数据、各种数据结构、进程堆栈和共享内存区等。 2.环境变量:提供进程运行所需的环境信息。 3.系统数据:进程空间中的对进程进行管理和控制所需的信息，包括进程任务结构体以及内核堆栈等。 4.进程访问设备或者文件时的权限。 5.各种硬件寄存器。 6.地址转换信息。 从以上组成情况可以看到，进程的运行环境是动态变化的，尤其是硬件寄存器的值以及进程控制信息是随着进程的运行而不断变化的。在Linux中把系统提供给进程的的处于动态变化的运行环境总和称为进程上下文。 系统中的每一个进程都有自己的上下文。一个正在使用处理器运行的进程称为当前进程(current)。当前进程因时间片用完或者因等待某个事件而阻 塞时，进程调度需要把处理器的使用权从当前进程交给另一个进程，这个过程叫做进程切换。此时，被调用进程成为当前进程。在进程切换时系统要把当前进程的上 下文保存在指定的内存区域(该进程的任务状态段TSS中)，然后把下一个使用处理器运行的进程的上下文设置成当前进程的上下文。当一个进程经过调度再次使 用CPU运行时，系统要恢复该进程保存的上下文。所以，进程的切换也就是上下文切换。 在系统内核为用户进程服务时，通常是进程通过系统调用执行内核代码，这时进程的执行状态由用户态转换为内核态。但是，此时内核的运行是为用户进程服务，也可以说内核在代替当前进程执行某种服务功能。在这种情况下，内核的运行仍是进程运行的一部分，所以说这时内核是运行在进程上下文中。内核运行在进程上下文中时可以访问和修改进程的系统数据。此外，若内核运行在进程上下文中需要等待资源和设备时，系统可以阻塞当前进程。 中断上下文: 硬件通过触发信号，导致内核调用中断处理程序，进入内核空间。这个过程中，硬件的一些变量和参数也要传递给内核，内核通过这些参数进行中断处理。所 谓的"中断上下文"，其实也可以看作就是硬件传递过来的这些参数和内核需要保存的一些其他环境(主要是当前被打断执行的进程环境)。中断时，内核不代表任 何进程运行，它一般只访问系统空间，而不会访问进程空间，内核在中断上下文中执行时一般不会阻塞。 进程上下文实际上是进程执行活动全过程的静态描述。我们把已执行过的进程指令和数据在相关寄存器与堆栈中的内容称为上文，把正在执行的指令和数据在寄存器和堆栈中的内容称为正文，把待执行的指令和数据在寄存器与堆栈中的内容称为下文。具体的说，进程上下文包括计算机系统中与执行该进程 有关的各种寄存器(例如通用寄存器，程序计数器PC，程序状态字寄存器PS等)的值，程序段在经过编译过后形成的机器指令代码集，数据集及各种堆栈值PCB结构。这里，有关寄存器和栈区的内容是重要的，例如没有程序计数器PC ，CPU将无法知道下一条待执行指令的地址喝控制有关操和程序状态寄存器PS 作。 进程上下文是可以按照层次规则组合起来的。例如在UNIX System V中，进程上下文由用户级上下文，寄存器上下文以及系统级上下文组成。 用户级上下文由进程的用户程序段部分编译而成的用户正文段，用户数据，用户栈组成。 寄存器上下文则有程序寄存器PC，处理机状态寄存器PS，栈指针和通用寄存器的值组成，其中PC给出了CPU将要执行的下一条指令的虚地址;PS给出了机器与该进程相关联的硬件状态;栈指针指向下一项的当前地址，而通用寄存器则用于不同执行模式间的参数传递。 进程的系统级上下文分为静态和动态部分。这里的动态指进程在进入和退出不同的上下文层次时，系统为各层上下文中相关联的寄存器所保存和恢复的。静态部分为PCB结构，将进程虚地址空间映射到物理空间以得到核心栈。这个核心栈主要是用来装载进程中所使用系统调用的调用序列。 系统级上下文的动态部分是与寄存器上下文相关联的。进程上下文的层次概念也主要体现在动态部分，及系统级上下文的动态部分可看成是一些数量变化的层次组成。其变化规则满足先进后出的堆栈方式，每个上下文层次在栈中各占一项。