存储器管理：从层次结构到内存保护

"本资源为《计算机操作系统》课程的第5章——存储器管理的相关教学资料，由XXX学院的王红玲主讲，内容涵盖了存储器的层次结构、程序的装入和链接、对换与覆盖、连续分配、分页存储管理、分段存储管理以及IA-32/x86-64架构下的内存管理策略。" 在计算机系统中，存储器的层次结构是至关重要的，它包括了CPU寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。CPU寄存器是最快速但最昂贵的存储区域，用于存储计算过程中的关键数据。主存储器，包括高速缓存和主存，其速度次之，但容量比寄存器大。高速缓存用于缓和CPU与主存间的速度差异，而主存则进一步分为高速缓存和主存储器，主存储器又常被用作磁盘缓存，以减少对慢速磁盘的访问。辅助存储器如硬盘，虽然速度最慢但容量最大，通常用于长期存储。 程序的装入和链接是操作系统的重要任务。装入程序负责将编译后的装入模块加载到内存中，而链接程序则将目标模块与所需的库函数合并，形成一个可执行的装入模块。在运行过程中，逻辑地址需要通过重定位转换为物理地址，这一过程也称为地址变换。内存保护机制则通过基地址和界限寄存器来确保程序不会超出其分配的内存空间，防止用户进程互相干扰或破坏操作系统。 在存储管理方式上，连续分配是最基础的方法，所有进程占用连续的内存空间，但可能导致内存碎片。分页存储管理将内存划分为固定大小的页，而进程则由多个页组成，通过页表进行地址映射。分段存储管理则是按逻辑结构划分，每个段代表程序的一个逻辑单元，允许不同段在内存中分散存放。这两种方法都有助于缓解碎片问题，提高内存利用率。 最后，针对IA-32/x86-64架构的内存管理策略，这些处理器支持虚拟内存，使得程序可以认为拥有连续的、不受物理内存限制的地址空间，实际上通过页表和地址翻译机制在物理内存和虚拟内存之间进行映射，实现了更大的地址空间和更灵活的内存管理。 本章内容深入探讨了存储器管理的各个方面，对于理解操作系统的内存管理和程序执行流程具有重要意义。