第五讲 物理内存管理

第一节 地址空间



向勇 陈渝 李国良 任炬



2025年春季

课程幻灯片列表

提纲

1. 计算机的存储层次

  1. 地址和地址空间
  2. 虚拟存储的作用
物理地址、逻辑地址、虚拟地址
  • 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) ：在程序的编译和链接阶段生成，表示程序中的地址偏移，它在载入内存之前使用。
  • 虚拟地址(VA，Virtual Address)：操作系统在程序加载过程中，将逻辑地址调整或映射到适当的虚拟地址空间
虚拟地址转换为物理地址

  • 段式管理:

    • 有段式内存管理：虚拟地址通过分段转换为物理地址
    • 有段式内存管理时，虚拟地址也称为线性地址(LA，Linear Address)

  • 页式管理:

    • 有页式内存管理：虚拟地址通过分页转换为物理地址

  • 段页式管理:

    • 虚拟地址先通过分段，再通过分页转换为物理地址
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：

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

  1. 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00，直到 MAXphyMAX_{phy}
  • 虚拟地址空间：虚拟内存的地址空间
    • 起始地址00，直到 MAXvirtMAX_{virt}
  • 逻辑地址空间：程序执行的地址空间
    • 起始地址00， 直到 MAXprogMAX_{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
    • MMU：进行虚拟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
    • 建立虚拟地址VA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

- **没有**段式内存管理：虚拟地址与物理地址相同 - **没有**页式内存管理的情况下，虚拟地址和物理地址相同 - **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

- 逻辑地址指CPU在**段式**内存管理转换前的地址； # - 线性地址指CPU在**页式**内存管理转换前的地址。 #--- ##### 逻辑地址与物理地址的关系

[操作系统内核的特征](https://learningos.github.io/os-lectures/lec1/p2-whatisos.html#9)：并发、共享、虚拟、异步

ALU：需要**逻辑地址**的内存内容