嵌入式学习-驱动开发前奏-lesson2-内存管理与进程管理子系统

本文主要是介绍嵌入式学习-驱动开发前奏-lesson2-内存管理与进程管理子系统，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

内存管理子系统

在内核相关一课中，已经介绍过，linux内核一共有7个子系统：
1.SCI
2.Pm
3.MM
4.Arch
5.Vfs
6.Network stack
7.DD

在以后的驱动学习章节中，主要是与 MM PM VFS 这三个相关。
在本章节中则主要讲解MM(内存管理子系统)

1）内存管理模型

根据上面的图，可以得知，内存的管理主要是做两个方面的工作：
1：物理内存分配
2：虚拟地址与物理地址的映射

2）地址的映射

上面这幅图是地址空间映射图，将其分为三个部分：
1：虚拟地址空间分布
2：虚拟地址转化为物理地址
3：物理内存分配

1.虚拟地址空间分布

根据上图可知，4G的虚拟地址空间又可分为3G的用户空间和1G的内核空间。

1G的内核空间又可分为4部分：
①、直接映射区，最大空间为896MB （896MB以下的内存称之为低端内存，以上则称之为高端内存） 然后减去3G 就可以直接得到物理地址
②、vmalloc区（既可以访问低端区域，也可以访问高端区域）
③、永久内核映射（固定访问高端内存）
④、固定映射的线性地址（和一些特殊的寄存器有关）

2.虚拟地址向物理地址转化

主要是上图第二部分完成的，将其简化为下图

具体过程：
1.cr3基地址加上虚拟地址的22–32位指向页目录的某一个地址（cr3指向页目录的基地址）
2.指向页目录的那个地址又指向页表的基地址，然后该地址加上虚拟地址的12–21位指向页表的某一个地址，也就是物理页的基地址
3.物理页的基地址加上虚拟地址的0–11，就得到物理存储单元的地址

3.物理内存的分配

linux使用虚拟地址管理方式，只有真正访问物理地址，才分配物理内存

上图，当使用malloc或者vmalloc时，会分配一个虚拟地址，并没有真正访问到物理内存，当需要使用物理内存的时候，会产生一个 请页异常 然后从 空闲页框 中 ，查看是否有空闲的物理内存，当有空闲的时候，机会分配一个物理内存，从而建立起访问关系。
但是当使用kmalloc的时候，slab管理器会直接将虚拟地址和物理地址建立关系。

进程管理子系统

一、进程相关概念

1）进程与程序

程序
存放在磁盘上的一系列代码和数据的可执行映像，是一个静止的实体
进程
是一个执行中的程序,它是动态的实体

2）进程四要素

1. 有一段程序供其执行。这段程序不一定是某个进程所专有，可以与其他进程共用。
2. 有进程专用的内核空间堆栈。
3. 在内核中有一个task_struct数据结构，即通常所说的“进程控制块（pcb）”。有了这个数据结构，进程才能成为内核调度的一个基本单位接受内核的调度。
4. 有独立的用户空间。
   

3） Linux进程状态

linux进程的状态可以将其范围上面三个部分，就绪、执行、阻塞。这是一种典型的三态图，将其进一步细分，

1.TASK_RUNNING(就绪、执行)
进程正在被CPU执行，或者已经准备就绪，随时可以执行。当一个进程刚被创建时，就处于TASK_RUNNING状态。
2.TASK_INTERRUPTIBLE（属于三态中的阻塞态）
处于等待中的进程，待等待条件为真时被唤醒，也可以被信号或者中断唤醒。
3. TASK_UNINTERRUPTIBLE
处于等待中的进程，待资源有效时唤醒，但不可以由其它进程通过信号(signal)或中断唤醒。
4. TASK_KILLABLE
Linux2.6.25新引入的进程睡眠状态，原理类似于TASK_UNINTERRUPTIBLE，但是可以被致命信号(SIGKILL)唤醒。
5. TASK_TRACED
正处于被调试状态的进程。
6. TASK_DEAD
进程退出时(调用do_exit)，所处的状态。

4） Linux进程描述

在Linux内核代码中，线程、进程都使用结构task_struct(sched.h)来表示，它包含了大量描述进程/线程的信息，其中比较重要的有：
pid_t pid; //进程号
long state; //进程状态
int prio; //进程优先级

在内核源代码sched.h中有关于此结构体的详细描述

二、进程调度

所谓的进程调度就是从就绪的进程中选出最适合的一个来执行。
主要分为：
1、调度策略
2、调度时机
3、调度步骤

1） 调度策略

SCHED_NORMAL(SCHED_OTHER):普通的分时进程
SCHED_FIFO :先入先出的实时进程
SCHED_RR：时间片轮转的实时进程（间隔一定时间，不管是否执行完，换下一个进程运行同样的时间）
SCHED_BATCH:批处理进程
SCHED_IDLE: 只在系统空闲时才能够被调度执行的进程

2 ）调度时机

什么时候发生调度？
即schedule()函数什么时候被调用？
schedule()函数在linux内核中完成调度过程

1主动式调度

在内核中直接调用schedule()。当进程需要等待资源等而暂时停止运行时，会把自己的状态置于挂起（睡眠），并主动请求调度，让出CPU。
范例:
1. current->state = TASK_INTERRUPTIBLE; （处于阻塞态）
2. schedule();

2被动式调度

被动式调度又名：抢占式调度。分为：用户态抢占(Linux2.4、Linux2.6)和内核态抢占(Linux2.6)。

2.1用户态抢占
用户抢占发生在：
从系统调用返回用户空间。
从中断处理程序返回用户空间。
内核即将返回用户空间的时候，如果need_resched标志被设置，会导致schedule()被调用，即发生用户抢占。
**当某个进程耗尽它的时间片时，会设置need_resched标志
**当一个优先级更高的进程进入可执行状态的时候，也会设置need_resched标志。

2.2内核态抢占
用户态抢占缺陷
进程/线程一旦运行到内核态，就可以一直执行，直到它主动放弃或时间片耗尽为止。这样会导致一些非常紧急的进程或线程将长时间得不到运行，降低整个系统的实时性。

改进方式
允许系统在内核态也支持抢占，更高优先级的进程/线程可以抢占正在内核态运行的低优先级进程/线程。

内核抢占可能发生在：
**中断处理程序完成，返回内核空间之前。
**当内核代码再一次具有可抢占性的时候，如解锁及使能软中断等。

在支持内核抢占的系统中，某些特例下是不允许抢占的：
** 内核正在运行中断处理。
** 内核正在进行中断上下文的Bottom Half(中断的底半部)处理。硬件中断返回前会执行软中断，此时仍然处于中断上下文中。
** 进程正持有spinlock自旋锁、writelock/readlock读写锁等，当持有这些锁时，不应该被抢占，否则由于抢占将可能导致其他进程长期得不到锁，而让系统处于死锁状态。
** 内核正在执行调度程序Scheduler。抢占的原因就是为了进行新的调度，没有理由将调度程序抢占掉再运行调度程序。

2.3 抢占计数
为保证Linux内核在以上情况下不会被抢占，抢占式内核使用了一个变量preempt_count，称为内核抢占计数。这一变量被设置在进程的thread_info结构中。每当内核要进入以上几种状态时，变量preempt_count就加1，指示内核不允许抢占。每当内核从以上几种状态退出时，变量preempt_count就减1，同时进行可抢占的判断与调度。

3） 调度步骤

Schedule函数工作流程如下：
1. 清理当前运行中的进程；
2. 选择下一个要运行的进程；
3. 设置新进程的运行环境；
4. 进程上下文切换 。

菜鸟一枚，如有错误，多多指教。。。

这篇关于嵌入式学习-驱动开发前奏-lesson2-内存管理与进程管理子系统的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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