第一节 地址空间

• 计算机的存储层次
• 地址空间

第一节 地址空间

相关术语

• 物理地址(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(logical address) ：Intel为了兼容，将远古时代的段式内存管理方式保留了下来。逻辑地址指的是机器语言指令中，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，如果逻辑地址是对应的硬件平台段式管理转换前地址的话，那么线性地址则对应了硬件页式内存的转换前地址。

第一节 地址空间

相关术语

• 逻辑地址怎样转换为物理地址？

  • 逻辑地址-->线性地址(虚拟地址)-->物理地址

• 在没有段式内存管理的情况下，逻辑地址即虚拟地址

第一节 地址空间 -- 计算机的存储层次 -- 总体结构

第一节 地址空间 -- 计算机的存储层次 -- 多层结构

第一节 地址空间 -- 计算机的存储层次 -- OS内存管理

第一节 地址空间 -- 计算机的存储层次 -- OS内存管理

操作系统中采用的内存管理方式

• 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

第一节 地址空间 -- 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 $MAX_{prog}$

视角不同

第一节 地址空间 -- 逻辑地址生成

第一节 地址空间 -- 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
  • 如编译时起始位置未知，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

第一节 地址空间 -- 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
  • 或接收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

第一节 地址空间 -- 地址检查

第一节 地址空间 -- 虚拟存储的作用

• 虚拟内存可作为外存的缓存
  • 常用的数据放在物理内存中
  • 不常用的数据放在外存
  • 对运行的程序而言，直接用虚存地址，不用关注具体放在物理内存还是外存

第一节 地址空间 -- 虚拟存储的作用

• 虚拟内存可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，而不管代码和数据实际存放在物理内存的何处
  • 简化编译的执行程序链接过程
  • 简化操作系统的执行程序加载过程
  • 简化共享：动态链接库、共享内存
  • 简化内存分配：物理不连续，虚拟连续
    

第一节 地址空间 -- 虚拟存储的作用

• 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
  • 地址翻译机制可以进行可读/可写/可执行的检查
  • 地址翻译机制可以进行特权级检查