OS(六)：存储器管理之 存储器结构

　　存储器管理的主要对象是内存。

1、存储器的层次结构

1.1、多级存储器结构

　　存储器至少应具有三级：最高层为CPU寄存器，中间为主存，最底层是辅存。可以根据功能分工细分为 寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动存储介质。

  

　　如上图，存储层次越往上，存储介质访问速度越快，相对存储容量越小。

　　由于主存储器的访问速度远低于CPU执行指令的速度，为缓解速度不匹配的问题，引入了寄存器和高速缓存。

　　寄存器和主存储器也被称为可执行存储器。

　　不同层次的存储介质，由操作系统统一管理。操作系统的存储管理，负责对可执行存储器的分配、回收以及提供在存储层次间数据移动的管理机制。

1.2、主存储器与寄存器

1.2.1、主存储器

　　主存储器，简称内存或主存，用于保存进程运行时的程序和数据，也称可执行存储器。

　　CPU的控制部件只能从哪个主存储器中取得指令和数据，数据从主存中读取并将它们装入到寄存器，或从哪个寄存器存入到主存处器。

1.2.2、寄存器

　　寄存器访问速度最快，与CPU协调工作，用于加速存储器的访问速度，如寄存器存放操作数，或用作地址寄存器加快地址转换速度。

　　寄存器的长度以 字(word) 为单位。

1.3、高速缓存和磁盘缓存

1.3.1、高速缓存

　　高速缓存用于存放主存中经常被访问的信息，以减少访问主存储器的次数，可大幅度提高程序执行速度。

　　进程的信息(程序和数据)存放在主存储器中，当使用时被临时复制到一个速度较快的高速缓存中。当CPU访问特定信息时，先检查它是否在高速缓存，如果已经存在，直接从高速缓存中取出使用，避免访问主存；否则，再从主存中读出信息。

1.3.2、磁盘缓存

　　磁盘I/O速度远低于对主存的访问速度，将频繁使用的一部分磁盘数据和信息，暂时存放在磁盘缓存中，以减少访问磁盘的次数。

　　主存可以看做是辅存的高速缓存，因为辅存中的数据必须复制到主存才能使用；处理后的数据必须先存在主存，再输出到辅存。

2、程序的装入和链接

　　多道程序环境下，程序若要运行，必须先创建进程，创建进程首要完成的事就是将程序和数据装入内存。

　　将源程序变为可执行程序的需要经过如下步骤：1、编译；2、链接；3、装入。

  

　　编译：将源代码编译成若干个目标模块；

　　链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，及它们锁需要的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块；

　　装入：有装入程序将装入模块转入内存。

2.1、程序的装入

　　程序装入有三种方式，分别是 绝对装入、可重定位装入和动态运行时装入。

2.1.1、绝对装入

　　绝对装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。装入模块被装入内存后，由于程序中的逻辑地址与实际内存地址完全相同，不须对程序和数据的地址进行修改。

　　绝对装入方式只能将目标模块装入到内存中事先指定的位置，仅适用于单道程序环境。在多道程序环境下，编译程序无法预知锁编译的目标模块应放在内存的哪个位置。

2.1.2、可重定位装入

　　装入时对目标程序中指令和数据的修改过程称为重定向。因为地址变换通常是在装入时一次完成的，以后不再改变，故称为静态重定向。

　　在多道程序环境下，得到的目标起始地址通常是从0开始的，程序中的其它地址是相对于起始地址计算的。

　　可重定位装入方式，根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。

　　采用可重定位装入，装入模块中的所有逻辑地址和实际装入内存的物理地址不同。

　　可重定位装入可将转入模块装入到内存中任何允许的位置，可用于多道程序环境，但不允许程序运行时在内存中移动位置。

2.1.3、动态运行时装入

　　程序运行过程中，它在内存的位置可能要改变，这也就意味着它的物理位置发生了变化，必须对程序和数据的绝对地址进行修改后才能运行，此时采用动态运行时装入方式。

　　动态运行时的装入程序把装入模块装入内存后，并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址，而是把这中地址转换推迟到程序真正要执行时才进行，因此装入内存后的所有地址仍是相对地址。

2.2、程序的链接

　　源程序经过编译得到一组目标模块，利用链接程序形成装入模块。

　　链接的方式有三种，分别是静态链接、装入时动态链接、运行时动态链接。

2.2.1、静态链接

　　静态链接是实现进行链接的方式。

　　在程序运行前，将各目标模块及所需库函数，链接成一个完整的装配模块，以后不再拆开。

　　静态链接：1、对相对地址进行修改；2、变换外部调用符号。

2.2.2、装入时动态链接

　　编译后的一组目标模块，在装入内存时，边装入边链接。

2.2.3、运行时动态链接

　　编译后的一组目标模块，程序执行中需要用到哪个目标模块，才对哪个目标模块进行链接。

　　某些模块的链接推迟到程序执行时才进行链接，在执行过程中，发现一个被调用的模块尚未装入内存，立即由OS去检索该模块并装入内存，把它连接到调用者模块上。