【操作系统】Operation System-第3章-内存分层体系 & 地址空间生成

操作系统—内存分层体系 & 地址空间/生成

计算机体系结构

内存分层体系

CPU可以访问的内存包括两大类 : 寄存器 / cache（L1缓存 / L2缓存）

主存（物理内存）/ 磁盘（虚拟内存）主存是在运行程序时所需要保存的数据空间，而磁盘是用于持久化数据保存的数据空间。

从CPU寄存器到磁盘，读写速度不断降低，容量不断增大。

操作系统的内存管理

目标

• 抽象：逻辑地址空间

• 保护：独立地址空间

• 共享：访问相同内存

• 虚拟：更多的地址空间

• 物理地址空间：主存和硬盘

• 逻辑地址空间：运行的程序

内存管理的不同方法

• 程序重定位（relocation）

• 分段（segmentation）

• 分页（paging）

• 虚拟内存（virtual memory）

• 按需分页虚拟内存

  ➢ 目前多数系统（如 Linux）采用

实现高度依赖于硬件

• 必须知道内存架构（与计算机存储架构紧耦合）
• MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问请求

地址空间

地址空间定义

• 物理地址空间 —— 硬件支持的地址空间（$address:[0,Ma{x}_{sys}]$）
• 逻辑地址空间 —— 一个运行在程序所拥有的的内存范围（$address:[0,Ma{x}_{prog}]$）

逻辑地址生成

• .c file 函数位置、变量名即逻辑地址。
• .s file 汇编语言中更加贴近机器语言，但是依然用符号代表变量名字。
• .o file 机器语言中，起始地址都是从0开始的，把变量名转换为地址。
• linker把多个.o file变成一个单一的.exe file。
• .exe file 中，地址已经做了全局的分布，不同的.o file程序的地址在单一程序中已经有各自的定义。
• .exe file 通过loader放到内存中运行，会有一定的偏移量，所以程序依照偏移量来进行正确数据的访问和指令的操作。

物理地址生成

• CPU根据指令，查找逻辑地址的物理地址在什么地方。
• 根据什么查找？MMU将逻辑地址映射到物理地址。

地址安全检查

操作系统建立逻辑地址到物理地址的映射，这个关系可以放到内存中，由CPU进行缓存，加快访问过程。

• 使应用程序在内存中正常执行，同时保证在内存中不同的应用程序之间不会相互破坏，因为操作系统会进行地址安全检查。

整理自 【清华大学】 操作系统