第五讲 物理内存管理

提纲

1. 计算机的存储层次

2. 地址和地址空间
3. 虚拟存储的作用

物理地址和逻辑地址

• 物理地址(PA, Physical Address) ：用于内存芯片级的单元寻址，与处理器和CPU连接的地址总线相对应。
• 逻辑地址(LA, Logical Address) ：CPU执行机器指令时，用来指定一个操作数或者是一条指令的地址。也是用户编程时使用的地址。
• 线性地址(linear address)或也叫虚拟地址(virtual address)：跟逻辑地址类似，它也是一个不真实的地址。
• 逻辑地址 + 段式管理 --> 虚拟地址(线性地址)
  • 在没有段式内存管理的情况下，逻辑地址与虚拟地址相同
• 虚拟地址 + 页式管理 --> 物理地址
  • 在没有页式内存管理的情况下，虚拟地址和物理地址相同

计算机的存储层次结构

计算机的存储多层结构

比较新的各种存储介质的访问速度参数：

• 金字塔层次结构：越靠近CPU速度越快，容量越小，价格越贵

操作系统对内存资源的抽象

内存管理

• 操作系统中的内存管理方式
  • 重定位(relocation)
  • 分段(segmentation)
  • 分页(paging)
  • 虚拟存储(virtual memory/storage)
• 操作系统的内存管理高度依赖硬件
  • 与计算机存储架构紧耦合
  • MMU (内存管理单元): 处理CPU存储访问请求的硬件

提纲

1. 计算机的存储层次

2. 地址和地址空间

3. 虚拟存储的作用

地址空间的定义

• 物理地址空间：物理内存的地址空间
  • 起始地址$0$，直到 $MAX_{phy}$
• 虚拟地址空间：虚拟内存的地址空间
  • 起始地址$0$，直到 $MAX_{virt}$
• 逻辑地址空间：程序执行的地址空间
  • 起始地址$0$， 直到 $MAX_{prog}$

三种地址空间的视角不同

逻辑地址生成

地址生成时机

• 编译时
  • 假设起始地址已知
  • 如果起始地址改变，必须重新编译
• 加载时
  • 如编译时起始地址未知，编译器需生成可重定位的代码 (relocatable code)
  • 加载时，位置可不固定，生成绝对（虚拟）地址
• 执行时
  • 执行时代码不可修改
  • 需地址转换(映射)硬件支持

地址生成过程

• CPU
  • ALU：需要逻辑地址的内存内容
  • MMU：进行逻辑地址和物理地址的转换
  • CPU控制逻辑：给总线发送物理地址请求
• 内存
  • 发送物理地址的内容给CPU
  • 接收CPU数据到物理地址
• 操作系统
  • 建立逻辑地址LA和物理地址PA的映射

地址检查

提纲

1. 计算机的存储层次
2. 地址和地址空间

3. 虚拟存储的作用

外存的缓存

虚拟内存可作为外存的缓存

• 常用数据放在物理内存中
• 不常用数据放在外存
• 运行的程序直接用虚存地址，不用关注具体放在物理内存还是外存

简化应用编译和加载运行

每个运行程序具有独立的地址空间，而不管代码和数据在物理内存的实际存放，从而简化：

• 编译的执行程序链接
• 操作系统的执行程序加载
• 共享：动态链接库、共享内存
• 内存分配：物理不连续，虚拟连续
  

保护数据

虚拟内存可保护数据

• 独立的地址空间使得区分不同进程各自内存变得容易
• 地址转换机制可以进行可读/可写/可执行的检查
• 地址转换机制可以进行特权级检查