进程、CPU、MMU与PCB之间的关系

目录

进程与cpu（中央处理器）

源代码、程序、cpu与进程的关系

cpu超线程

CPU的简易架构与处理数据过程

进程与MMU（内存管理单元）

mmu作用

cpu和mmu的关系

进程与PCB（进程控制块）

PCB介绍与内部成员

PCB和mmu的关系

pcb中的文件描述符表

进程的四种状态

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进程与cpu（中央处理器）

源代码、程序、cpu与进程的关系

程序和进程的关系

• 程序，是指编译好的二进制文件，在磁盘上，不占用系统资源，比如cpu、内存等
• 进程，是一个抽象的概念，与操作系统原理联系紧密。进程是活跃的程序，占用系统资源。在内存中执行。程序运行起来，cpu执行二进制文件中的二进制指令，执行n多指令的过程就是一个进程，所以运行程序会产生一个进程（当然也可以产生多个进程）。

程序编译和运行过程

1. 编译过程：
   1. 代码（如C语言代码）首先通过编译器（如GCC）被转换成二进制文件。这个过程称为编译，它将高级语言代码转化为机器语言代码，也就是CPU能直接执行的二进制指令。
   2. 编译后的二进制文件通常包含程序的机器码、数据以及其他信息，这些信息都是按照CPU的指令集架构（ISA）来组织的。
2. 加载与执行：
   1. 在程序执行之前，编译后的二进制文件（如.exe或.elf文件）需要被加载到主存储器（RAM）中。这是因为CPU无法直接从硬盘等存储设备中读取和执行程序，它只能访问RAM中的数据。
   2. 当用户运行一个程序时，操作系统的程序加载器（如Windows的PEB或Linux的ELF加载器）会将程序加载到RAM中，并为其分配内存空间。
   3. CPU通过执行指令来从RAM中读取数据并执行操作。这些指令包括加载数据到寄存器、执行算术或逻辑运算、将数据存储回内存等。
3. CPU与二进制指令：
   1. CPU按照存储在RAM中的二进制指令的顺序逐条执行。每一条指令都告诉CPU要执行什么操作，以及操作的数据在哪里（通常在寄存器或内存中）。
   2. CPU内部有多个寄存器，用于存储数据和指令的地址。其中，程序计数器（PC寄存器）用于存储下一条要执行的指令的地址。
   3. 当CPU执行完一条指令后，它会从PC寄存器中取出下一条指令的地址，并加载该指令到指令寄存器中进行分析和执行。这个过程不断重复，直到程序结束。

cpu超线程

"超线程"是英特尔提出的的一种方式，使得逻辑核数翻倍，其实也是一种榨干硬件的方式。一个核心能上一个线程，但是这个线程有时候也会"休息"，导致这时候核心也是一个空闲的状态，导致不能完全利用到核心算力，因此英特尔提出的这个方案其实就是一个核心管两个线程，一个线程空出核心的时候，另一个线程就上核心，就类似于进程切换，将CPU利用起来。

CPU的简易架构与处理数据过程

中央处理器（CPU）与进程处理数据的交互逻辑：

• 首先进程产生数据存入内存或者cpu缓存中：当进程运行时，它会产生和访问各种数据。这些数据通常首先存储在RAM（随机访问存储器）中。其次是在cpu缓存中，cpu缓存中可能有这些数据的副本。
• 然后cpu从cpu缓存或者内存中读取和处理数据：
  • cpu预取指令从缓存或者内存中取出数据。当CPU需要执行一个程序或访问某个数据时，它首先会检查缓存中是否有该数据。如果没有，CPU会向内存发出请求，内存会响应这个请求并将数据发送到CPU。这个过程涉及到内存管理单元（MMU）和CPU的协作，以确保数据能够正确地传输到CPU。
  • 然后cpu中的译码器的作用就是判断指令需要哪些寄存器，比如需要加法器，就从寄存器堆里取出相应的寄存器数据
  • 然后进入到算术逻辑单元执行，执行后又将数据回写到寄存器堆里的一些寄存器
• 处理数据完毕后，如果需要将数据写入内存的话，数据可以直接从寄存器写入到内存中，也可以先经过CPU缓存，再到内存。也可以数据被直接写入内存，并且同时更新缓存。现代CPU通常会根据复杂的缓存策略和算法来决定是否将数据写入缓存。

进程与MMU（内存管理单元）

mmu作用

MMU（内存管理单元）是计算机硬件的一部分，通常与CPU紧密集成，负责处理所有进程的内存访问请求，并进行地址转换、内存保护等任务。

一个进程产生一块虚拟内存，在操作系统中，每个进程都有自己的虚拟地址空间。当进程访问内存时，它使用虚拟地址来引用数据。这些虚拟地址通过MMU转换为物理地址，以便CPU能够实际访问内存中的数据。

• 虚拟地址: 可用的地址空间 有 4G，最大4G的虚拟地址空间。比如0x804a4000   int a = 10;，这个地址是一个虚拟地址。
• 物理地址:1000。物理地址的大小就是我们内存条的大小。
• MMU做的事就是将虚拟地址上的数据写到物理地址上。

cpu和mmu的关系

CPU（Central Processing Unit，中央处理器）：作为计算机系统的核心，负责执行各种计算任务和控制操作。它是信息处理和程序运行的最终执行单元。

MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）：是一种硬件设备，位于CPU和内存之间。它负责处理CPU发出的内存访问请求，并进行地址转换、虚拟内存管理、内存保护等功能。

进程与PCB（进程控制块）

PCB介绍与内部成员

每个进程在内核中都有一个进程控制块（PCB）来维护进程相关的信息，Linux内核的进程控制块是task_struct结构体。

/usr/src/linux-headers-3.16.0-30/include/linux/sched.h文件中可以查看struct task_struct 结构体定义。其内部成员有很多，我们重点掌握以下部分即可：

* 进程id。系统中每个进程有唯一的id，在C语言中用pid_t类型表示，其实就是一个非负整数。

* 进程的状态，有就绪、运行、挂起、停止等状态。

* 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器。

* 描述虚拟地址空间的信息。

* 描述控制终端的信息。

* 当前工作目录（Current Working Directory）。

* umask掩码。

* 文件描述符表，包含很多指向file结构体的指针。

* 和信号相关的信息。

* 用户id和组id。

* 会话（Session）和进程组。

* 进程可以使用的资源上限（Resource Limit）。用 "ulimit -a"可以查看当前linux环境一下的相关资源限制，比如栈溢出对应的上限限制

PCB和mmu的关系

• MMU是负责处理中央处理器（CPU）的内存访问请求的计算机硬件。
• PCB（Process Control Block，进程控制块）不是硬件，PCB是操作系统中用于管理进程的数据结构，也被称为进程描述符或任务控制块。它通常由操作系统的内核（Kernel）进行管理。
• PCB和MMU在操作系统中各自承担不同的角色：PCB负责进程信息的存储和管理，而MMU负责内存访问的控制和转换。
• 虽然它们在功能上是分开的，但在实现进程内存管理时存在间接的关联。PCB中的内存分配情况等信息可能用于指导MMU进行虚拟地址到物理地址的转换，以确保进程能够正确地访问其虚拟地址空间中的数据。

pcb中的文件描述符表

在linux中，当用C程序打开一个文件时便会产生一个文件描述符，文件描述符是一个整数，对应文件描述符表的下标，该下标对应的值是一个文件指针，指向一个文件结构体，结构体记录了该文件当前的一些状态。本质上来说文件描述符是指这个指针，只是通常操作时传递下标给其它函数，因此粗略把这个下标整数值当做了文件描述符。

文件描述符表的大小通常是固定的，例如常见的实现中大小为1024。其中，前三个文件描述符（0、1、2）通常用于标准输入、标准输出和标准错误输出。因此，默认情况下用户进程可以打开的文件数量是1021个（1024 - 3）。文件描述符表的大小是可以更改的。

进程的四种状态

进程基本的状态有4种：就绪态，运行态，挂起态与终止态。

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