主要内容

  • 计算机体系结构/内存分层体系
  • 地址空间&地址生成

计算机体系结构/内存分层体系

  • 计算机体系结构

　　　　计算机硬件体系结构主要包含三大块内容：

　　　  CPU：完成对程序或软件执行的控制。

　　　  内存：防止程序执行的代码和处理的数据。

　　　  外部设备：配合程序发挥作用。

  • 内存分层体系

　　　　根据CPU访问数据所处位置的不同，可以将内存的存储结构进行分层。

　　寄存器/cache：位于CPU芯片内存，操作系统无法直接管理，速度很快，容量很小。

　　主存：放置操作系统要运行的数据和代码。容量比寄存器和cache要大很多，速度相对慢一点。掉电之后，数据会消失。

　　磁盘(硬盘)：速度比主存慢很多，容量要比主存大很多。

　　

　　从内存层次结构来看，存储的容量和读取其中数据的速度是很难兼顾的，如果要保持容量，不丢失速度或者保持速度，不丢失容量，就需要操作系统的协助。为此，操作系统有一些很重要的目标需要实现：

    • 抽象：使程序运行在内存中时，由于操作系统的有效管理，不需要考虑很多的底层细节。程序不需要考虑物理内存和外设的具体位置，其访问的地址空间是连续的。这个地址空间一般被称为逻辑地址空间。
    • 保护： 在内存中可能运行多个不同的应用程序，这些程序有可能破坏其他进程的地址空间。因此，需要一种机制将进程间的地址空间隔离起来，这种机制也需要操作系统来完成。
    • 共享：除了隔离之外，进程之间也需要交互。操作系统需要保证不同进程之间，可以安全有效地传递数据。
    • 虚拟：当应用程序较多时，会出现内存不足的情况。为此，操作系统需要把最需要放到内存中的数据放入内存，将一些相对不重要的数据暂时放到磁盘上去，从而实现一种虚拟的大的内存。这一过程要对应用程序透明，且尽可能的满足应用程序的需求。
  • 在操作系统的内存管理范例

 　　如图所示，当前共有P1~P4四个应用程序，但是内存无法同时放下这四个应用程序，因此，暂时先将P4转移到硬盘当中去，使P1能有效执行。当P1执行结束以后，可以将控制权交给P2，P3，在内存中进一步执行。当P4得到满足它的条件以后，也会进一步执行。

在操作系统中管理内存的不同方法

　　操作系统要实现上面提到的四个目标，需要一些方法进行辅助，这些方法包括:

  • 程序重定位
  • 分段
  • 分页
  • 虚拟内存
  • 按需分页虚拟内存

　　在之后的文章当中，会对这些方法进行进一步讲解。

实现高度依赖于硬件

　　操作系统完成上述这些功能的时候，需要和计算机硬件相配合。

  • 必须知道内存架构
  • MMU(内存管理单元):硬件组件负责处理CPU的内存访问请求

 

地址空间与地址空间

　　在进一步讲解操作系统机制之前，需要对地址空间的概念有进一步的了解。这里面涉及到其中几点：

  • 地址空间定义

　　地址空间分为两种，一种是物理地址空间，一种是逻辑地址空间。物理地址空间和硬件直接对应，如内存和硬盘。物理地址空间的管理由硬件来控制。逻辑地址空间是程序看到的内存空间，是一个一维的线性地址空间。应用程序在这个地址空间中，很容易去访问数据。程序访问逻辑地址空间，最终都是要落实在物理地址空间当中，操作系统需要建立两种地址空间的对应关系。

 

  • 地址生成
    • 逻辑地址的生成

　　下面用一个C程序介绍逻辑地址空间是怎么生成的。在C程序中，变量，函数的名字，都是一种逻辑地址。C程序经过编译以后，得到汇编程序(.s程序)。汇编程序更接近及其语言。汇编器再将其转化为机器语言(.o程序)。在机器语言中，变量和函数的符号名会被转化为地址，这是一种从0开始的逻辑地址。因为编译过程中，可能会涉及多个程序，不同程序的地址可能会相互访问，形成一种依赖关系。这个过程需要通过链接器进行处理，将多个程序归一为一个单一的执行程序(.exe程序)。执行程序中，不同.o程序的地址已经有了单一的定义。最后，装载器将执行程序放入内存当中运行，这一步需要将逻辑地址进行相应的分配，使应用程序在内存中可以正常运行。执行程序的地址有一定的偏移量，程序的访问和执行以来这个偏移量。这个过程，就是逻辑地址的生成过程。这整个转换过程基本不需要操作系统的帮助，通过应用程序及编译器等就可以完成。

    • 逻辑地址和物理地址的对应关系

　　CPU要运行一条指令，需要将其从内存中取出来。这需要知道指令的物理地址，CPU一开始是不知道的，但它知道指令的逻辑地址，这就需要查找物理地址和逻辑地址的对应关系。在CPU的内存管理单元(MMU)中，有一块区域表示了这个映射关系。这个映射关系在内存中也有相应的表示。通过查询映射关系表，就可以知道逻辑地址对应的物理地址。物理地址的生成过程具体的包括如下几个步骤：

 

 

1. 当CPU执行某条指令的时候，ALU部件需要指令的内容，此时它会发出请求，请求中包含指令的逻辑地址。

2. MMU会查映射表中，该逻辑地址是否存在对应的物理地址。如果有，则返回物理地址，如果MMU当中没有，则会产生一个处理过程，去内存中继续找。

3. 如果在主存中找到了，则CPU的控制器会向主存发出请求，来获取这个物理地址。

4. 主存会把内存的内容通过总线传给CPU，CPU拿到内容以后开始执行指令。

　　　　逻辑地址和物理地址的映射关系需要操作系统提前建立。

  • 地址安全检查

　　为了确保内存中的程序不相互干扰，因此操作系统需要确保每一个程序访问的地址空间是合法的，是限制在约束范围以内的。这种约束也是靠操作系统完成的。一个地址包含两部分，一个是起始地址，一个是长度。通过起始地址和长度可以确定一个合法访问区域，一旦超出了这个区域，访问就变成不合法的。操作系统会建立和维护一张映射表，这张表记录逻辑地址是否在合法访问区域之内。CPU在执行某条指令时，会去检测这个映射表，如果指令的逻辑地址满足区域的限制，则可以根据对应关系找到逻辑地址对应的物理地址，取回指令；如果不满足，CPU就会产生内存访问异常，让操作系统进一步处理。