3-1计算机系统结构及内存分层体系

计算机启动后，需要对整个计算机系统进行管理和控制， 首先需要进行管理和控制的就是内存。

这一章主要讲解下操作系统是如何管理物理内存的。

首先需要了解计算机体系结构、内存的层次结构，才能知道操作系统有效的去管理这些已知的硬件物理内存。

第二步需要知道操作系统怎么去和程序的编译执行交互的，

最后需要知道操作系统怎么去管理连续的物理内存分配。

一、计算机体系结构和内存分层体系

计算机体系结构主要包含了三大部分内容。

1、CPU，主要是完成对程序的控制

2、内存，放置了程序的代码和数据

3、外设

操作系统需要将CPU访问的物理内存有效的管理起来。

内存包含哪些东西呢？

它并不仅仅是主存或者物理内存，他还包含其它一部分的内容，如上图，显示内存的层次结构。

什么是内存的层次结构？

就是说CPU要访问的指令或者数据，它所处的位置在什么地方，从上到下，可以看到，分为好几类：

1 寄存器，2 cache 这两部分都是位于CPU芯片内部的，操作系统是没法对它进行直接管理的。速度快容量小

下面一部分是主存或者叫物理内存，主要是用于放置操作系统本身以及要运行的代码，特点容量比寄存器和cache大很多，速度相对cache和寄存器慢很多。

最下面是硬盘容量大，速度慢。

从上到下形成一个金字塔结构，越靠近CPU 速度越快，容量越小。

我们希望我们运行的程序能够尽量达到数据访问要快，数据存储空间要大，同时满足这两个条件，其实很难兼得，但是如果有了操作系统的帮助，这一点其实是可以有效的达到的，这一点也是为什么我们要通过去了解操作系统管理物理内存y以及后续h会了解操作系统管理虚拟内存，能够完成近乎，看起来像是一种不可能完成的任务，这么一个很艰巨的任务。

操作系统在这里面到底要完成哪些事情呢？其实有如下几个目标：

1 抽象：希望应用程序在内存中运行的时候呢，由于操作系统的有效管理，使他不用考虑很多底层的细节，不用考虑物理内存在什么地方，不用考虑外设在什么地方，只需访问一个连续的地址空间就OK了,我们把这个地址空间一般成为逻辑地址空间。

2 保护：因为在内存中可以运行多个应用程序，有可能会访问别的进程的地址空间，有可能破坏别的进程的地址空间，这实际上是有问题的，我们需要有一种有效的机制，不能坚定应用程序在运行中不会破坏别的应用程序，我们需要一种机制来保证进程中的地址空间是隔离的，隔离机制的实现是 靠操作系统来完成的。

3 共享：进程之间也需要交互，怎么有效提供这种共享空间来使得，进程之间安全可靠有效的进行数据传递，这实际上也是通过操作系统的机制来完成的。

4 虚拟化：当我们在内存中放了很多应用程序之后，其实会出现内存不够的情况，怎么让正在运行的程序获取它所需要的内存空间呢？其实体现一点，把最需要放到内存的数据放到内存中，那些暂时不需要放到内存的数据暂时不用去访问的数据，可以临时放到硬盘上去，通过这种方式，可以有效的实现一种虚拟的大的一种内存空间现象，这个管理过程，我们希望能做到对应用程序透明，同时还能够让应用程序尽量的去用它所需要的数据和空间，这样就通过操作系统去完成这种功能。

上图，有4个放到内存中的程序，其中正在占用CPU的y运行的程序可能是P1，那么实际上是等待状态，尤其是P4，P4当前可能等待某个事情,这种情况下，它说访问的数据其实没有必要放到内存中去，P1在运行中可能需要更多的空间，可以通过操作系统把这一份空间导到，硬盘上去，上图右下角就有P4的应用程序的代码和程序。

同时P1所占的空间就可以有效的去执行，当P1不执行之后，可以把控制权交给P2或者P3，继续执行，这种方式使得可以很方便的在内存中执行，当然也可以有效的机制让P4得到有效的执行。

另一方面，上图可以看出有两个地址空间，后面会进一步展开讲解，l逻辑地址空间和物理地址空间，主存和硬盘其实是物理地址空间，而我们程序其实看到的空间是逻辑地址空间。

操作系统需要完成上述4点需要一定的机制来完成，这些机制包含了相关手段，比如程序重定位、分段、分页、虚存管理以及按需分页，按需分配内存等多种不同的手段。后面会逐一展开对此讲解

另外需要注意的是，操作系统是一个软件，它在完成上述功能的时候，其实还需要和硬件进行配合，比如MMU配合在一起，才能进行内存管理。