操作系统内存

Posted 2021-05-26 better_hui

目录

一、分层存储器结构图

二、无存储抽象

三、运行多个程序

缺点

四、地址空间

1、基址寄存器和变址寄存器

2、交换技术

3、虚拟内存

分页

存在映射的页如何映射

未映射的页如何映射

MMU 

页表

---

 

一、分层存储器结构图

主存(RAM) 是一件非常重要的资源，必须要认真对待内存。操作系统中管理内存层次结构的部分称为内存管理器(memory manager)，它的主要工作是有效的管理内存，记录哪些内存是正在使用的，在进程需要时分配内存以及在进程完成时回收内存。所有现代操作系统都提供内存管理。

 

 

二、无存储抽象

存储器模型就是物理内存模型，程序直接面对物理内存,这种情况下的计算机不可能会有两个应用程序同时在内存中。如果第一个程序向内存地址 2000 的这个位置写入了一个值，那么此值将会替换第二个程序 2000 位置上的值，所以，同时运行两个应用程序是行不通的，两个程序会立刻崩溃

 

不过即使存储器模型就是物理内存，还是存在一些可变体的。下面展示了三种变体

在上图 a 中，操作系统位于 RAM(Random Access Memory) 的底部，或像是图 b 一样位于 ROM(Read-Only Memory) 顶部；而在图 c 中，设备驱动程序位于顶端的 ROM 中，而操作系统位于底部的 RAM 中。a、c模型因为操作系统是位于ram中，应用程序有威胁操作系统的风险。

按照这种方式组织系统时，通常同一个时刻只能有一个进程正在运行。一旦用户键入了一个命令，操作系统就把需要的程序从磁盘复制到内存中并执行；当进程运行结束后，操作系统在用户终端显示提示符并等待新的命令。收到新的命令后，它把新的程序装入内存，覆盖前一个程序。

在没有存储器抽象的系统中实现并行性一种方式是使用多线程来编程。由于同一进程中的多线程内部共享同一内存映像，那么实现并行也就不是问题了。但是这种方式却并没有被广泛采纳，因为人们通常希望能够在同一时间内运行没有关联的程序，而这正是线程抽象所不能提供的。

三、运行多个程序

即便没有存储器抽象，同时运行多个程序也是有可能的。操作系统只需要把当前内存中所有内容保存到磁盘文件中，然后再把程序读入内存即可。只要某一时刻内存只有一个程序在运行，就不会有冲突的情况发生。

在 IBM 360 中，内存被划分为 2KB 的区域块，每块区域被分配一个 4 位的保护键，保护键存储在 CPU 的特殊寄存器(SFR)中。一个内存为 1 MB 的机器只需要 512 个这样的 4 位寄存器，容量总共为 256 字节 (这个会算吧) PSW(Program Status Word, 程序状态字) 中有一个 4 位码。一个运行中的进程如果访问键与其 PSW 中保存的码不同，360 硬件会捕获这种情况。因为只有操作系统可以修改保护键，这样就可以防止进程之间、用户进程和操作系统之间的干扰。

这种解决方式是有一个缺陷。如下所示，假设有两个程序，每个大小各为 16 KB

 

 

上面两个程序的执行过程中有一个核心问题，那就是都引用了绝对物理地址，这不是我们想要看到的。从上图中可以看出程序a、b 都直接指向物理内存，如a、b的28 都只想了物理内存的28 ， 但是b程序想要执行的指令是CMP，但是却指向了ADD的地址。这个结果是很可怕的。

缺点

把物理内存暴露给进程会有几个主要的缺点：第一个问题是，如果用户程序可以寻址内存的每个字节，它们就可以很容易的破坏操作系统，从而使系统停止运行（除非使用 IBM 360 那种 lock-and-key 模式或者特殊的硬件进行保护）。即使在只有一个用户进程运行的情况下，这个问题也存在。

第二点是，这种模型想要运行多个程序是很困难的（如果只有一个 CPU 那就是顺序执行）。在个人计算机上，一般会打开很多应用程序，比如输入法、电子邮件、浏览器，这些进程在不同时刻会有一个进程正在运行，其他应用程序可以通过鼠标来唤醒。在系统中没有物理内存的情况下很难实现。

四、地址空间

如果要使多个应用程序同时运行在内存中，必须要解决两个问题：保护和 重定位。一般有两种方式：

一、是用保护密钥标记内存块，并将执行过程的密钥与提取的每个存储字的密钥进行比较。这种方式只能解决第一种问题（破坏操作系统），但是不能解决多进程在内存中同时运行的问题。

二、是创造一个存储器抽象：地址空间(the address space)。就像进程的概念创建了一种抽象的 CPU 来运行程序，地址空间也创建了一种抽象内存供程序使用。地址空间是进程可以用来寻址内存的地址集。每个进程都有它自己的地址空间，独立于其他进程的地址空间，但是某些进程会希望可以共享地址空间

1、基址寄存器和变址寄存器

最简单的办法是使用动态重定位(dynamic relocation)技术，它就是通过一种简单的方式将每个进程的地址空间映射到物理内存的不同区域。

• 基址寄存器：存储数据内存的起始位置
• 变址寄存器：存储应用程序的长度。
• 使用基址寄存器和变址寄存器是给每个进程提供私有地址空间的

每当进程引用内存以获取指令或读取、写入数据时，CPU 都会自动将基址值添加到进程生成的地址中，然后再将其发送到内存总线上。同时，它检查程序提供的地址是否大于或等于变址寄存器 中的值。如果程序提供的地址要超过变址寄存器的范围，那么会产生错误并中止访问。这样，对上图 c 中执行 JMP 28 这条指令后，硬件会把它解释为 JMP 16412，所以程序能够跳到 CMP 指令，过程如下

 

 

如果计算机的物理内存足够大来容纳所有的进程，那么之前提及的方案或多或少是可行的。但是实际上，所有进程需要的 RAM 总容量要远远高于内存的容量。提出了两种处理方式：最简单的一种方式就是交换(swapping)技术，即把一个进程完整的调入内存，然后再内存中运行一段时间，再把它放回磁盘。空闲进程会存储在磁盘中，所以这些进程在没有运行时不会占用太多内存。另外一种策略叫做虚拟内存(virtual memory)，虚拟内存技术能够允许应用程序部分的运行在内存中。下面我们首先先探讨一下交换

2、交换技术

刚开始的时候，只有进程 A 在内存中，然后从创建进程 B 和进程 C 或者从磁盘中把它们换入内存，然后在图 d 中，A 被换出内存到磁盘中，最后 A 重新进来。因为图 g 中的进程 A 现在到了不同的位置，所以在装载过程中需要被重新定位，或者在交换程序时通过软件来执行；或者在程序执行期间通过硬件来重定位。基址寄存器和变址寄存器就适用于这种情况

3、虚拟内存

尽管基址寄存器和变址寄存器用来创建地址空间的抽象，但是这有一个其他的问题需要解决：管理软件的不断增大(managing bloatware)。需要运行的程序往往大到内存无法容纳，而且必然需要系统能够支持多个程序同时运行，即使内存可以满足其中单独一个程序的需求，但是从总体上来看内存仍然满足不了日益增长的软件的需求（感觉和xxx和xxx 的矛盾很相似）。而交换技术并不是一个很有效的方案，在一些中小应用程序尚可使用交换，如果应用程序过大，难道还要每次交换几 GB 的内存？这显然是不合适的，一个典型的 SATA 磁盘的峰值传输速度高达几百兆/秒，这意味着需要好几秒才能换出或者换入一个 1 GB 的程序。

分页

大部分使用虚拟内存的系统中都会使用一种 分页(paging) 技术。在任何一台计算机上，程序会引用使用一组内存地址。当程序执行

MOV REG,1000

这条指令时，它会把内存地址为 1000 的内存单元的内容复制到 REG 中（或者相反，这取决于计算机）。地址可以通过索引、基址寄存器、段寄存器或其他方式产生。

这些程序生成的地址被称为 虚拟地址(virtual addresses) 并形成虚拟地址空间(virtual address space)，在没有虚拟内存的计算机上，系统直接将虚拟地址送到内存中线上，读写操作都使用同样地址的物理内存。在使用虚拟内存时，虚拟地址不会直接发送到内存总线上。相反，会使用 MMU(Memory Management Unit) 内存管理单元把虚拟地址映射为物理内存地址，像下图这样

下面展示这种映射的过程

 

页表给出虚拟地址与物理内存地址之间的映射关系。每一页起始于 4096 的倍数位置，结束于 4095 的位置，所以 4K 到 8K 实际为 4096 - 8191 ，8K - 12K 就是 8192 - 12287

在这个例子中，我们可能有一个 16 位地址的计算机，地址从 0 - 64 K - 1，这些是虚拟地址。然而只有 32 KB 的物理地址。所以虽然可以编写 64 KB 的程序，但是程序无法全部调入内存运行，在磁盘上必须有一个最多 64 KB 的程序核心映像的完整副本，以保证程序片段在需要时被调入内存。

 

存在映射的页如何映射

虚拟地址空间由固定大小的单元组成，这种固定大小的单元称为 页(pages)。而相对的，物理内存中也有固定大小的物理单元，称为 页框(page frames)。页和页框的大小一样。在上面这个例子中，页的大小为 4KB ，但是实际的使用过程中页的大小范围可能是 512 字节 - 1G 字节的大小。对应于 64 KB 的虚拟地址空间和 32 KB 的物理内存，可得到 16 个虚拟页面和 8 个页框。RAM 和磁盘之间的交换总是以整个页为单元进行交换的。

未映射的页如何映射

当程序访问一个未映射的页面，如执行指令

MOV REG, 32780

将会发生什么情况呢？虚拟页面 8 （从 32768 开始）的第 12 个字节所对应的物理地址是什么？MMU 注意到该页面没有被映射（在图中用 X 号表示），于是 CPU 会陷入(trap)到操作系统中。这个陷入称为 缺页中断(page fault) 或者是 缺页错误。操作系统会选择一个很少使用的页并把它的内容写入磁盘（如果它不在磁盘上）。随后把需要访问的页面读到刚才回收的页框中，修改映射关系，然后重新启动引起陷入的指令。

MMU 

下面查看一下 MMU 的内部构造以便了解它们是如何工作的，以及了解为什么我们选用的页大小都是 2 的整数次幂。下图我们可以看到一个虚拟地址的例子

简单来讲，前4位标识页号 ， 后12位标识偏移量，下图能够映射的物理内存大小为：4096byte * 16

 

虚拟地址 8196 （二进制 0010000000000100）用上面的页表映射图所示的 MMU 映射机制进行映射，输入的 16 位虚拟地址被分为 4 位的页号和 12 位的偏移量。4 位的页号可以表示 16 个页面，12 位的偏移可以为一页内的全部 4096 个字节。

可用页号作为页表(page table) 的索引，以得出对应于该虚拟页面的页框号。如果在/不在位则是 0 ，则引起一个操作系统陷入。如果该位是 1，则将在页表中查到的页框号复制到输出寄存器的高 3 位中，再加上输入虚拟地址中的低 12 位偏移量。如此就构成了 15 位的物理地址。输出寄存器的内容随即被作为物理地址送到总线。

页表

在上面这个简单的例子中，虚拟地址到物理地址的映射可以总结如下：虚拟地址被分为虚拟页号（高位部分）和偏移量（低位部分）。例如，对于 16 位地址和 4 KB 的页面大小，高 4 位可以指定 16 个虚拟页面中的一页，而低 12 位接着确定了所选页面中的偏移量（0-4095）。

虚拟页号可作为页表的索引用来找到虚拟页中的内容。由页表项可以找到页框号（如果有的话）。然后把页框号拼接到偏移量的高位端，以替换掉虚拟页号，形成物理地址。