首頁 > 新聞資訊 摘要： 本文主要對(duì)內(nèi)存管理基礎(chǔ)知識(shí)及分段與分頁介紹。
關(guān)鍵字：Armv8、體系結(jié)構(gòu)、ARM架構(gòu)、內(nèi)存管理、分段、分頁
1. 內(nèi)存管理基礎(chǔ)
最早的程序是放在卡紙上的，計(jì)算機(jī)每讀取一張卡片就運(yùn)行一條指令，這種從外部存儲(chǔ)介質(zhì)上直接運(yùn)行指令的效率很低。后來出現(xiàn)了內(nèi)存存儲(chǔ)器，也就是說程序要運(yùn)行，首先要加載，然后執(zhí)行，這就是是所謂的“存儲(chǔ)程序”。
單道編程的內(nèi)存管理，整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)用戶進(jìn)程和一個(gè)操作系統(tǒng)。用戶程序獨(dú)占整個(gè)用戶空間，實(shí)現(xiàn)簡單，無外部碎片，存儲(chǔ)器利用率極低。
多道編程的內(nèi)存管理，系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程。內(nèi)存管理出現(xiàn)了固定分區(qū)和動(dòng)態(tài)分區(qū)兩種技術(shù)。
固定分區(qū)是在系統(tǒng)編譯階段，內(nèi)存被劃分成許多靜態(tài)分區(qū)，進(jìn)程可以裝入大于或等于自身大小的分區(qū)。
動(dòng)態(tài)分區(qū)是在一整塊內(nèi)存中劃出一塊內(nèi)存共操作系統(tǒng)本身使用，剩下的內(nèi)存在進(jìn)程裝入時(shí)，根據(jù)進(jìn)程的大小動(dòng)態(tài)的建立分區(qū)，并使分區(qū)的大小正合適進(jìn)程的需要。動(dòng)態(tài)分區(qū)沒有內(nèi)部碎片，但是有外部碎片。
內(nèi)部碎片，分配給某進(jìn)程的內(nèi)存區(qū)域中，如果有部分沒有用上。
外部碎片，指內(nèi)存中某些空閑分區(qū)由于太小而難以利用。
內(nèi)存管理的功能：
內(nèi)存控群的分配與回收，地址轉(zhuǎn)換（邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址），內(nèi)存空間擴(kuò)充（利用虛擬存儲(chǔ)或交換覆蓋技術(shù)），內(nèi)存保護(hù)（避免相互干擾和破壞）。
進(jìn)程如何使用內(nèi)存？進(jìn)程大概在3個(gè)地方需要用到內(nèi)存。
進(jìn)程本身。比如，代碼段及數(shù)據(jù)段用來存儲(chǔ)程序本身需要的數(shù)據(jù)。
棧空間。程序運(yùn)行時(shí)用來保存函數(shù)調(diào)用關(guān)系、局部變量、函數(shù)參數(shù)以及函數(shù)返回值等內(nèi)容。
堆空間。程序運(yùn)行時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)分配程序需要使用的內(nèi)存，比如存儲(chǔ)程序需要使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。
2. 分段與分頁機(jī)制
基于進(jìn)程地址空間這個(gè)概念，人們最早想到的一種機(jī)制叫分段機(jī)制，其基本思想是把程序所需的內(nèi)存空間的虛擬地址映射到某個(gè)物理地址空間。
分段機(jī)制可以解決地址空間保護(hù)問題。分段機(jī)制對(duì)虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存映射以進(jìn)程為單位。當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，換出到磁盤的依然是整個(gè)進(jìn)程，因此會(huì)有大量的磁盤訪問，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。
分頁機(jī)制是讓程序中一部分不使用的內(nèi)存可以存放到交換磁盤中，而程序正在使用的內(nèi)存繼續(xù)保留在物理內(nèi)存中。
分頁機(jī)制系統(tǒng)中，處理器直接尋址虛擬地址，這個(gè)地址不會(huì)直接發(fā)給內(nèi)存控制器，而是先發(fā)給內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，MMU）。MMU負(fù)責(zé)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換和翻譯工作。
一級(jí)頁表，虛擬地址VA[31:0]分為兩部分，VA[31:12]共20位，用于查詢頁表項(xiàng)；VA[11:0]共12位，是頁面偏移量。
處理器采用一級(jí)頁表，虛擬地址空間的位寬32位，尋址范圍0-4GB，物理地址空間也是32位，因此最多支持4GB物理內(nèi)存。如果每個(gè)頁表項(xiàng)占用4個(gè)字節(jié)，需要220×4B=4MB空間。
二級(jí)頁表中，VA[31:20]被用作一級(jí)頁表項(xiàng)索引，共有12位，最多可以索引4096個(gè)頁表項(xiàng)；VA[19:12]被用作二級(jí)頁表項(xiàng)索引，共有8位，最多可以索引265個(gè)頁表項(xiàng)。
當(dāng)一級(jí)頁表項(xiàng)中如果為null，表示對(duì)應(yīng)的1024個(gè)虛擬頁沒有使用，所以就不需要二級(jí)頁表了，節(jié)省了空間。當(dāng)然，如果虛擬地址頁完全映射的話，二級(jí)頁表的占用=一級(jí)頁表項(xiàng)(1024 * 4B) + 二級(jí)頁表項(xiàng)(1024 *1024* 4B) = 4M + 4K，比一級(jí)映射多了4K，不過這種情況基本上沒有可能，因?yàn)檫M(jìn)程的地址空間很少有完全映射的情況。正是因?yàn)槭s了大量未映射的頁表項(xiàng)使得頁表的空間大幅減少。
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