计算机组织结构(十) 内存管理

📚 文档目录 合集-数的二进制表示-定点运算-BCD 码-浮点数四则运算-内置存储器-Cache-外存-纠错-RAID-内存管理-总线-指令集: 特征- 指令集:寻址方式和指令格式

过去, 只有操作系统和一个程序在内存中.

现在, 操作系统和多个程序都在内存中. 程序等待 I/O 时, 为了避免处理器等待, 需要进行优化, 使得更多的程序可以加载入内存.

内存管理: 在多程序设计系统中, 内存的 “用户部分” 应该被进一步划分以适应多个程序, 这是由系统动态决定的.

加载更多程序的途径

• 增大内存
• 使用交换和重叠技术
  • 当没有程序就绪的时候, 系统载入程序
  • 分区和分页
• 虚拟内存
  • 请求分页
  • 虚拟地址

分区

固定大小分区

系统: 固定的大小

用户程序: 固定的大小, 但各不相同. 当加载一个程序的时候, 将其载入刚好能够容纳下这个程序的最小的区中.

缺点: 产生大量内部碎片.

可变大小分区

系统: 固定的大小

用户程序: 按需分配

缺点: 产生大量外部碎片

分页

基本思想:

• 将内存分为固定大小的块, 称为页框(页帧), 将程序分为固定大小的块, 称为页
• 将页加载入页框中

逻辑地址: 指令中的地址

物理地址:主存中的地址

虚拟内存

内存的大小是有限的，但是对内存的需求在不断增加

基本思想：请求分页，一个进程的页只有在需要的时候才被调入

本质：

• 在比内存大的逻辑地址空间中编程
• 只调入需要的程序和数据
• 通过硬件将逻辑地址转化为物理地址
• 当发生页缺失的时候在内存和硬盘之间交换信息

一些问题

• 页的大小: 4KB, 8Kb…
• 映射函数: 关联映射
• 类型:
  • 基于页的虚拟内存
  • 基于段的虚拟存储器
  • 基于段和页的虚拟内存
• 写策略: 写回

基于页的虚拟内存

将主存和虚拟内存分成相同大小的页

• 虚页(Virtual page)/逻辑页(Logical page): 虚拟内存中的页
• 物理页(Physical page)/页框(page frame): 主存中的页

页表:

• 包含着所有虚页的信息, 包括位置, 有效位, 脏位, 可读写位
• 存储在主存中
• 虚拟地址 <− 虚页号 + 页内地址 (偏移量)

快表 (TLB)

页表的使用增加了主存的访问

为了减少访问主存, 将最常用的页表项加载进 cache

TLB: 页表项被载入 cache

• 全相联映射, 组关联映射
• 随机替换策略

ps: 快表中只有 valid 情况下才能算 hit

分析:

• 最好: 1, 未访问内存
• 好 4, 5 只访问一次内存
• 坏 7 两次访问主存
• 最坏 8 两次访问主存, 并访问硬盘

基于段的虚拟存储器

将程序和数据分成不同长度的段, 并将需要的段载入主存

虚拟地址: 段号 + 段内偏移量

与基于页的虚拟内存相比:

• 基于页的虚拟内存
  • 优势: 简单, 成本低
    • 劣势:指令和数据可能跨页
• 基于段的虚拟内存
  • 优势: 数据和程序自然划分
  • 劣势: 长度并非固定

基于段和页的虚拟内存

将程序和数据划分为段, 并进一步将段划分为页, 每一个段都有它自己页表

虚拟地址: 段号 + 页号 + 偏移量

优势: 程序在段中可以共享和保护

劣势: 需要多次查表

补充 PA 中的内存管理部分

实模式

8086的实模式

• 寄存器长度：16 位
  • 访问内存需要结合段寄存器(segment register)进行
• 地址线：20 根
• 物理地址计算方式 physical address = (seg_reg<<4)+offset，offset 为 16 位的偏移量 可寻址空间：

分段机制

x86 的机器开机后首先进入实模式

• 加载操作系统
• 操作系统初始化段表
• 拨动一个”开关”, 从实模式切换到保护模式

进入保护模式后

• 程序给出 48 位逻辑地址(16位段选择符 + 32 位有效地址)
• 使用段选择符来查段表
• 进行段级地址转换得到线性地址

分段机制(地址转换)

80386 保护模式下的地址转换

• 逻辑地址到线性地址的转换
  • 逻辑地址: 48 位, 又叫虚拟地址,其中 段选择符: 16 位(sreg对应的段寄存器的内容) 段内偏移量(有效地址): 32 位(vaddr给出的32位地址)