Processos e contexto de execução

Seu celular toca música, baixa um arquivo e mostra notificações — aparentemente em paralelo, mesmo com poucos cores. O truque é dividir o trabalho em processos e alternar rapidamente entre eles.

Mas alternar não é grátis. Cada vez que a CPU larga um processo e pega outro, ela precisa salvar e restaurar estado — e o hardware paga um preço escondido. Entender esse custo é essencial para projetar sistemas eficientes e de tempo real.

Definiremos processo, abriremos o PCB, percorreremos os estados e mediremos o custo da troca de contexto — incluindo o esfriamento de cache e TLB.

Distinção fundamental: o programa é passivo — bytes em disco. O processo é ativo — uma instância em execução, com estado que muda a cada instrução.

Um mesmo programa pode originar vários processos: abrir o navegador duas vezes cria dois processos independentes, com PIDs diferentes, espaços de endereçamento separados e seus próprios PCBs. O PCB é o "RG" que o SO mantém de cada um para retomá-lo exatamente onde parou.

Ao retomar este processo, o SO recarrega o contador de programa e os registradores a partir do PCB — e a execução continua como se nada tivesse acontecido.

O custo da troca de contexto tem duas parcelas:

• Custo direto: os ciclos gastos salvando e restaurando registradores e atualizando o ponteiro da tabela de páginas. É pequeno e previsível.
• Custo indireto: ao trocar de espaço de endereçamento, a TLB é invalidada e a cache perde localidade. Os próximos acessos do novo processo provocam faltas de TLB e de cache — o "esfriamento". Esse custo é maior e mais difícil de prever.

Da execução, o processo pode ir a Bloqueado (esperando E/S) e voltar a Pronto quando o evento chega — nunca pula direto de Bloqueado para Executando.

CPUs modernas mitigam o custo da TLB com ASIDs (Address Space Identifiers): cada entrada da TLB é etiquetada com o identificador do processo. Assim, ao trocar de processo, a TLB não precisa ser totalmente invalidada — as entradas de cada processo coexistem.

No x86, o recurso correspondente é o PCID. Threads do mesmo processo compartilham o espaço de endereçamento e, portanto, não exigem invalidação da TLB — uma das razões de threads serem mais baratas que processos (Aula 4).

Num RTOS embarcado (ex.: FreeRTOS num Cortex-M), a troca de contexto é implementada em assembly na rotina do PendSV: ela empilha os registradores da tarefa atual, escolhe a próxima e desempilha os dela. Como não há MMU complexa nem paginação, o custo é baixo e, crucialmente, previsível.

Essa previsibilidade é o que importa em tempo real: não basta a troca ser rápida em média; ela precisa ter pior caso limitado, pois entra na conta da latência da tarefa de alta prioridade.

O custo da troca de contexto é tema recorrente:

• Define o trade-off do quantum no escalonamento (Aula 5).
• Explica por que threads são mais baratas que processos (Aula 4).
• Liga-se à TLB e à memória virtual (Aulas 8–9).