把逻辑地址转换为物理地址
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入内存时要将所有访问内存的地址转换
• 动态地址变换：地址变换是在程序执行时由系统硬件完成从逻辑地址 到物理地址的转换的。
data1: dw 32
0x300 00000020
…
…
…
start: lw r1,0(data1)
0x900 8C2000C0
jal checkit
0x904 0C000340
loop: addi r1, r1, -1
0x908 2021FFFF
bnz loop
…
0x90C 1420FFFF
checkit: …
– 逻辑地址空间－由程序所生成的所有逻辑地址的集合；可以是一维线 性空间，也可以是多维空间
• 物理地址－把内存分成若干个大小相等的存储单元，每个单元给一 个编号，这个编号称为内存地址，即内存单元所用的地址
– 物理地址空间－与逻辑地址相对应的内存中所有物理地址的集合，一 维的线性空间
• 用户程序看不见真正的物理地址。用户只生成逻辑地址，且认为进 程的地址空间为0到max。物理地址范围从R+0到R+max，R为基 地址
– 需要硬件对动态地址变换的支持，例如基 址和限长寄存器
– 基址寄存器这时称为重定位寄存器。用户 进程所生成的地址在送交内存之前，都将 加上重定位寄存器的值。
使用重定位寄存器的动态重定位
地址变换方式
• 编程或编译时确定地址变换关系：编程时确定虚－实地址的关系是指 在用机器指令编程时，程序员直接按物理内存地址编程，这种程序在 系统中是不能做任何移动的，否则就会出错。
– 进程和内核的工作状态取决于存储在内存/寄存器中的相关数据 – 不同的进程/线程控制部分不能使用内存的同一部分
• Physics: 不同部分的数据不能使用内存的同一地址
– 有时不同线程的内存资源会private化 (protection)
存储管理的功能
• 地址变换：将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主 存中的地址的过程，又称地址重定位。地址变换的功能 就是要建立虚实地址的对应关系。
• 静态地址变换：静态地址变换是在程序装入内存时完成从逻辑地址到 物理地址的转换的。在一些早期的系统中都有一个装入程序（加载程 序），它负责将用户程序装入系统，并将用户程序中使用的访问内存 的逻辑地址转换成物理地址。
– 优点：实现简单，不要硬件的支持。 – 缺点：程序一旦装入内存，移动就比较困难，有时间上的浪费。在程序装
(10s ms)
(10s sec)
Gs
Ts
Virtual CPU Address
Limit >?
Base
+ DRAM Physical ErrAodrd! ress
• 内存：由很大一组字/字节所组成，每个字/字节都有自己的地址
– 输入队列— 磁盘上等待进入内存并执行的进程的集合
• 内存共享时需要考虑的问题
进程在执行时，会访问内存中的指令和数据。将指令和 数据捆绑到内存地址可以在以下步骤的任何一步中执行。
• 编译时确定地址变换关系 :如果内存 位置已知，可生成绝对代码；如果开 始位置改变，需要重新编译代码。
• 加载时(静态地址变换) :如果存储位置 在编译时不知道，则必须生成可重定 位代码。
• 执行时(动态地址变换) ：如果进程在 执行时可以在内存中移动，则地址绑 定要延迟到运行时。
• 主存分配：按照一定的算法把某一空闲的主存区分配给 作业或进程。
• 存储保护：保证用户程序(或进程映象)在各自的存储区
域内操作，互不干扰。
• 虚拟存储：使用户程序的大小和结构不受主存容量和结 构的限制，即使在用户程序比实际主存容量还要大的情 况下，程序也能正确运行。
地址变换
• 逻辑地址（虚拟地址）－用户编程序时所用的地址（或称程序地 址 、虚地址 ），基本单位可与内存的基本单位相同，也可以不相 同
内存管理
• 背景 • 主存管理介绍 • 连续存储空间管理 • 分页式存储管理 • 分段式存储管理 • 虚拟存储管理
• 局部性原理：时间/空间局部性
– 低端存储的容量尽量大 – 高端存储的速度尽量快
Processor Control
Datapath
Second Level Cache (SRAM)
Main Memory (DRAM)
• 物理地址
– 基址、限长寄存器保护：基址寄存器存放程序装入内存后的起始 地址。限长寄存器存放程序装入内存后的最大长度
• 逻辑地址
对于合法的访问地址，这两者的效率是相同的，对不合法 的访问地址来说，上下界存储保护浪费的CPU时间相对来 说要多些。
Code Data Heap Stack
Prog 1 虚拟地址空间 1
Secondary Storage (Disk)
Tertiary Storage (Tape)
On-Chip Cache
Registers
Speed (ns): 1s Size (bytes): 100s
10s-100s Ks-Ms
100s Ms
10,000,000s 10,000,000,000s
变换 1
例子
Data 2 Stack 1 Heap 1 Code 1 Stack 2 Data 1 Heap 2 Code 2 OS code OS data OS heap & Stacks
Code Data Heap Stack
Prog 2 虚拟地址空间 2
变换 2
物理地址空间
例子：指令和数据地址变换…来自0xD00 …–Could we place data1, start, and/or checkit at different addresses?
• Yes
• When? Compile time/Load time/Execution time
–Related: which physical memory locations hold particular instructions or data?
• 地址变换－将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成内存中的物理地址
的过程。由内存管理单元（MMU）来完成。
内存保护
• 内存保护：保护操作系统不受用户进程影响，保护用户进 程不受其它用户进程影响。措施：
– 上下界保护：下界寄存器存放程序装入内存后的开始地址（首 址）。上界寄存器存放程序装入内存后的末地址
• 动态地址变换：地址变换是在程序执行时由系统硬件完成从逻辑地址 到物理地址的转换的。
data1: dw 32
0x300 00000020
…
…
…
start: lw r1,0(data1)
0x900 8C2000C0
jal checkit
0x904 0C000340
loop: addi r1, r1, -1
0x908 2021FFFF
bnz loop
…
0x90C 1420FFFF
checkit: …
– 逻辑地址空间－由程序所生成的所有逻辑地址的集合；可以是一维线 性空间，也可以是多维空间
• 物理地址－把内存分成若干个大小相等的存储单元，每个单元给一 个编号，这个编号称为内存地址，即内存单元所用的地址
– 物理地址空间－与逻辑地址相对应的内存中所有物理地址的集合，一 维的线性空间
• 用户程序看不见真正的物理地址。用户只生成逻辑地址，且认为进 程的地址空间为0到max。物理地址范围从R+0到R+max，R为基 地址
– 需要硬件对动态地址变换的支持，例如基 址和限长寄存器
– 基址寄存器这时称为重定位寄存器。用户 进程所生成的地址在送交内存之前，都将 加上重定位寄存器的值。
使用重定位寄存器的动态重定位
地址变换方式
• 编程或编译时确定地址变换关系：编程时确定虚－实地址的关系是指 在用机器指令编程时，程序员直接按物理内存地址编程，这种程序在 系统中是不能做任何移动的，否则就会出错。
– 进程和内核的工作状态取决于存储在内存/寄存器中的相关数据 – 不同的进程/线程控制部分不能使用内存的同一部分
• Physics: 不同部分的数据不能使用内存的同一地址
– 有时不同线程的内存资源会private化 (protection)
存储管理的功能
• 地址变换：将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主 存中的地址的过程，又称地址重定位。地址变换的功能 就是要建立虚实地址的对应关系。
• 静态地址变换：静态地址变换是在程序装入内存时完成从逻辑地址到 物理地址的转换的。在一些早期的系统中都有一个装入程序（加载程 序），它负责将用户程序装入系统，并将用户程序中使用的访问内存 的逻辑地址转换成物理地址。
– 优点：实现简单，不要硬件的支持。 – 缺点：程序一旦装入内存，移动就比较困难，有时间上的浪费。在程序装
(10s ms)
(10s sec)
Gs
Ts
Virtual CPU Address
Limit >?
Base
+ DRAM Physical ErrAodrd! ress
• 内存：由很大一组字/字节所组成，每个字/字节都有自己的地址
– 输入队列— 磁盘上等待进入内存并执行的进程的集合
• 内存共享时需要考虑的问题
进程在执行时，会访问内存中的指令和数据。将指令和 数据捆绑到内存地址可以在以下步骤的任何一步中执行。
• 编译时确定地址变换关系 :如果内存 位置已知，可生成绝对代码；如果开 始位置改变，需要重新编译代码。
• 加载时(静态地址变换) :如果存储位置 在编译时不知道，则必须生成可重定 位代码。
• 执行时(动态地址变换) ：如果进程在 执行时可以在内存中移动，则地址绑 定要延迟到运行时。
• 主存分配：按照一定的算法把某一空闲的主存区分配给 作业或进程。
• 存储保护：保证用户程序(或进程映象)在各自的存储区
域内操作，互不干扰。
• 虚拟存储：使用户程序的大小和结构不受主存容量和结 构的限制，即使在用户程序比实际主存容量还要大的情 况下，程序也能正确运行。
地址变换
• 逻辑地址（虚拟地址）－用户编程序时所用的地址（或称程序地 址 、虚地址 ），基本单位可与内存的基本单位相同，也可以不相 同
内存管理
• 背景 • 主存管理介绍 • 连续存储空间管理 • 分页式存储管理 • 分段式存储管理 • 虚拟存储管理
• 局部性原理：时间/空间局部性
– 低端存储的容量尽量大 – 高端存储的速度尽量快
Processor Control
Datapath
Second Level Cache (SRAM)
Main Memory (DRAM)
• 物理地址
– 基址、限长寄存器保护：基址寄存器存放程序装入内存后的起始 地址。限长寄存器存放程序装入内存后的最大长度
• 逻辑地址
对于合法的访问地址，这两者的效率是相同的，对不合法 的访问地址来说，上下界存储保护浪费的CPU时间相对来 说要多些。
Code Data Heap Stack
Prog 1 虚拟地址空间 1
Secondary Storage (Disk)
Tertiary Storage (Tape)
On-Chip Cache
Registers
Speed (ns): 1s Size (bytes): 100s
10s-100s Ks-Ms
100s Ms
10,000,000s 10,000,000,000s
变换 1
例子
Data 2 Stack 1 Heap 1 Code 1 Stack 2 Data 1 Heap 2 Code 2 OS code OS data OS heap & Stacks
Code Data Heap Stack
Prog 2 虚拟地址空间 2
变换 2
物理地址空间
例子：指令和数据地址变换…来自0xD00 …–Could we place data1, start, and/or checkit at different addresses?
• Yes
• When? Compile time/Load time/Execution time
–Related: which physical memory locations hold particular instructions or data?
• 地址变换－将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成内存中的物理地址
的过程。由内存管理单元（MMU）来完成。
内存保护
• 内存保护：保护操作系统不受用户进程影响，保护用户进 程不受其它用户进程影响。措施：
– 上下界保护：下界寄存器存放程序装入内存后的开始地址（首 址）。上界寄存器存放程序装入内存后的末地址