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
2023年秋季
提纲
1. 计算机的存储层次
- 地址和地址空间
- 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
- 逻辑地址到物理地址的转换
- 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，逻辑地址与虚拟地址相同
- 在没有页式内存管理的情况下，逻辑地址、虚拟地址和物理地址都相同
计算机的存储层次结构
计算机的存储多层结构
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
- 计算机的存储层次
2. 地址和地址空间
- 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
- 计算机的存储层次
- 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