通過(guò)分析歷年考題發(fā)現(xiàn)，在存儲(chǔ)管理方面的題目蠻多的，應(yīng)該是一個(gè)重要考點(diǎn)。無(wú)論是概念、理論、分析和計(jì)算都相當(dāng)容易出題。這里就先拿這個(gè)點(diǎn)說(shuō)說(shuō)吧，其他的以后有時(shí)間再寫了。

1、存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次架構(gòu)

• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器被組織成一個(gè)金字塔的層次結(jié)構(gòu)。自上而下為：CPU內(nèi)部寄存器、芯片內(nèi)部高速緩存(cache)、芯片外部高速緩存(SRAM、SDRAM、DRAM)、主存儲(chǔ)器(NAND FLASH、NOR FLASH、EEPROM)、外部存儲(chǔ)器(磁盤、光盤、CF卡、SD卡)和遠(yuǎn)程二級(jí)存儲(chǔ)器(分布式文件系統(tǒng)、WEB服務(wù)器)，6個(gè)層次的結(jié)構(gòu)。上述設(shè)備從上而下，依次速度更慢、容量更大、訪問(wèn)頻率更小，造價(jià)更便宜。

2、高速緩存(cache)

• 工作原理:主要利用了程序的局部性特點(diǎn)。地址映象是指把主存地址空間映象到cache的地址空間。地址變換是指當(dāng)程序或數(shù)據(jù)已經(jīng)裝入到cache后，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，把主存地址如何編程cache空間的地址。

• 常用的地址映象和地址變換的方式有：
  直接映象和變換：速度快，造價(jià)低，但有局限性，不能充分利用cache的好處。
  組相聯(lián)地址映象和變換：速度稍慢但是命中率高。
  全相聯(lián)地址映象和變換：可以任意映射。

• 常用的cache替換算法：輪轉(zhuǎn)法和隨機(jī)替換算法。

• 高速緩存的分類：
  A.統(tǒng)一cache和獨(dú)立的數(shù)據(jù)/指令cache
  B.寫通cache和寫回cache
  C.讀操作分配cache和寫操作分配cache

3、存儲(chǔ)管理單元（MMU）

• MMU在CPU和物理內(nèi)存之間進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，將地址從邏輯空間映射到物理空間，這個(gè)過(guò)程稱為內(nèi)存映射。MMU主要完成下面的工作:
  A.虛擬存儲(chǔ)空間到物理空間的映射。
  B.存儲(chǔ)器訪問(wèn)權(quán)限的控制。
  C.設(shè)置虛擬存儲(chǔ)空間的緩沖特性。

• 嵌入式系統(tǒng)中常常采用頁(yè)式存儲(chǔ)管理。為了管理這些頁(yè)引入了頁(yè)表的概念。頁(yè)表是位于內(nèi)存中的表，它的每一行對(duì)應(yīng)虛擬存儲(chǔ)空間的一個(gè)頁(yè)，該行包含了該虛擬內(nèi)存頁(yè)對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存頁(yè)的地址、該頁(yè)的訪問(wèn)權(quán)限和該頁(yè)的緩沖特性等。從虛擬地址到物理地址的變換過(guò)程就是查詢頁(yè)表的過(guò)程。

• 由于頁(yè)表存儲(chǔ)在內(nèi)存中的，整個(gè)查詢過(guò)程需要付出很大的代價(jià)。根據(jù)程序局部性的特點(diǎn)，增加了一個(gè)小容量、高速度的存儲(chǔ)部件來(lái)存放當(dāng)前訪問(wèn)需要的地址變換條目，這個(gè)存儲(chǔ)部件稱為：地址轉(zhuǎn)換后備緩沖器(TLB)。

• 當(dāng)CPU訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，首先在TLB中查找需要的地址變換條目，如果該條目不存在，CPU再?gòu)膬?nèi)存中的頁(yè)表中查詢，并把相應(yīng)的結(jié)果添加到TLB中，更新它的內(nèi)容。

• 嵌入式系統(tǒng)中虛擬存儲(chǔ)空間到物理空間的映射以內(nèi)存塊為單位進(jìn)行。即虛擬存儲(chǔ)空間中一塊連續(xù)的存儲(chǔ)空間被映射到物理存儲(chǔ)空間中同樣大小的一塊連續(xù)存儲(chǔ)空間。

• 在頁(yè)表和TLB中，每一個(gè)地址變換條目實(shí)際上記錄了一個(gè)虛擬存儲(chǔ)空間的內(nèi)存塊的基地址與物理存儲(chǔ)空間相對(duì)應(yīng)的一個(gè)內(nèi)存塊的基地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

• 在MMU中實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的映射是通過(guò)兩級(jí)頁(yè)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。禁止MMU時(shí)，所有物理地址和虛擬地址相等，即使用平板存儲(chǔ)模式。

4、內(nèi)存保護(hù)

• 操作系統(tǒng)通常利用MMU來(lái)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用程序之間的隔離，以及應(yīng)用程序與應(yīng)用程序之間的隔離。
  內(nèi)存保護(hù)包含兩個(gè)方面的內(nèi)容:
  A.防止地址越界，每個(gè)應(yīng)用程序都有自己獨(dú)立的地址空間。
  B.防止越權(quán)操作，每個(gè)應(yīng)用程序都有自己的訪問(wèn)權(quán)限。

5、實(shí)模式與保護(hù)模式

• 在嵌入式系統(tǒng)中，常見的存儲(chǔ)管理方案可以分為兩大類：實(shí)模式和保護(hù)模式。

• 實(shí)模式：內(nèi)存的平面使用模式。
  特點(diǎn)：
  A.不劃分“系統(tǒng)空間”與“用戶空間”，無(wú)須進(jìn)行地址映射。
  B.操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間不再有物理的邊界。
  C.系統(tǒng)中的“任務(wù)”或“進(jìn)程”，實(shí)際上全是內(nèi)核線程。
  內(nèi)存布局:
  A.代碼段：包含操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的所有代碼。
  B.數(shù)據(jù)段：所有帶有初始值的全局變量。
  C.BSS段：所有未帶初始值的全局變量。
  D.堆空間：動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存空間。
  E.?？臻g：保存上下文以及函數(shù)調(diào)用時(shí)的局部變量和形參。
  在實(shí)模式存儲(chǔ)管理方案下，主要的工作在于堆空間的管理，即如何來(lái)管理空閑的堆空間、如何來(lái)分配內(nèi)存、如何來(lái)回收內(nèi)存等等。

• 保護(hù)模式：處理器中必須有MMU硬件并啟用。
  特點(diǎn)：
  A.系統(tǒng)內(nèi)核和用戶程序都有各自獨(dú)立的地址空間。
  B.每個(gè)應(yīng)用程序只能訪問(wèn)自己的地址空間，不能去破壞操作系統(tǒng)和其他應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)。

6、分區(qū)存儲(chǔ)管理

為了實(shí)現(xiàn)多道程序系統(tǒng)而采用的內(nèi)存管理。

• 基本思路：把整個(gè)內(nèi)存劃分為兩大區(qū)域，即系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)，然后再把用戶區(qū)劃分為若干個(gè)分區(qū)，每個(gè)任務(wù)占有其中的一個(gè)分區(qū)。這樣，在內(nèi)存當(dāng)中就同時(shí)保留多個(gè)任務(wù)，讓他們共享整個(gè)用戶區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的并發(fā)運(yùn)行。
• 分區(qū)存儲(chǔ)管理又可以分為兩類：固定分區(qū)和可變分區(qū)。
  固定分區(qū)：各個(gè)用戶分區(qū)的個(gè)數(shù)、位置和大小一旦確定后，就固定不變，不能再修改。
  優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)開銷較小。
  缺點(diǎn)：內(nèi)存利用率不高，分區(qū)總數(shù)固定。
  可變分區(qū)：動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，在裝入一個(gè)程序時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)它的需求和內(nèi)存空間的使用情況來(lái)決定是否分配。
  優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)變化，非常靈活。
  缺點(diǎn)：可能存在外碎片。
• 在實(shí)現(xiàn)可變存儲(chǔ)管理技術(shù)的時(shí)候，需要考慮三個(gè)方面的問(wèn)題：
  A.內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  B.內(nèi)存的分配算法
  C.內(nèi)存的回收算法

7、地址映射

• 地址映射:地址映射也叫地址重定位。邏輯地址和物理地址是完全不同的，不能用邏輯地址來(lái)直接訪問(wèn)內(nèi)存單元。為了保證CPU在執(zhí)行指令的時(shí)候，可以正確地訪問(wèn)內(nèi)存單元，需要將用戶程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為運(yùn)行時(shí)由機(jī)器直接尋址的物理地址。
• 地址映射由存儲(chǔ)管理單元MMU來(lái)完成。
• 地址映射主要有兩種方式：靜態(tài)地址映射和動(dòng)態(tài)地址映射。
  靜態(tài)地址映射：當(dāng)用戶程序被裝入內(nèi)存時(shí)，直接對(duì)指令代碼進(jìn)行修改，一次性地實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。
  動(dòng)態(tài)地址映射：當(dāng)用戶程序被裝入內(nèi)存時(shí)，不對(duì)指令代碼做任何修改，而是在程序的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)它需要訪問(wèn)內(nèi)存單元的時(shí)候，再來(lái)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。
• 在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，這項(xiàng)轉(zhuǎn)換工作一般是由硬件的地址映射機(jī)制來(lái)完成的。通常設(shè)置一個(gè)基地址寄存器，或者叫重定位寄存器。當(dāng)一個(gè)任務(wù)被調(diào)度運(yùn)行時(shí)，就把它所在分區(qū)的起始地址裝入到整個(gè)寄存器中。然后，在程序運(yùn)行的過(guò)程中，當(dāng)需要訪問(wèn)某個(gè)內(nèi)存單元時(shí)，硬件就會(huì)自動(dòng)地將其中的邏輯地址加上基地址寄存器中的內(nèi)容，從而得到實(shí)際的物理地址，并且按照這個(gè)物理地址區(qū)執(zhí)行。這個(gè)基地址寄存器位于MMU的內(nèi)部，整個(gè)地址映射過(guò)程是自動(dòng)運(yùn)行的。從理論上說(shuō)，每訪問(wèn)一次內(nèi)存都要進(jìn)行一次地址映射。

8、頁(yè)式存儲(chǔ)管理（重點(diǎn)）

• 基本思路：把物理內(nèi)存劃分為許多固定大小的內(nèi)存塊，稱為物理頁(yè)面；把邏輯地址空間也劃分為大小相同的塊，稱為邏輯頁(yè)面。當(dāng)一個(gè)用戶程序被裝入內(nèi)存時(shí)，不是以整個(gè)程序?yàn)閱挝?，把它存放在一整塊連續(xù)的區(qū)域，而是以頁(yè)面為單位來(lái)進(jìn)行分配的。對(duì)于一個(gè)大小為N的頁(yè)面程序，需要有N個(gè)空閑的物理頁(yè)面來(lái)把它裝載。這些物理頁(yè)面不一定是要連續(xù)的。
• 在頁(yè)式存儲(chǔ)管理中需要解決三個(gè)問(wèn)題：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)存分配與回收、地址映射。
• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有兩個(gè)：頁(yè)表和物理頁(yè)面表。
  A.頁(yè)表：給出了任務(wù)邏輯頁(yè)面號(hào)和內(nèi)存中物理頁(yè)面號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
  B.物理頁(yè)面表：描述內(nèi)存空間中，各個(gè)物理頁(yè)面的使用情況。
• 內(nèi)存的分配過(guò)程：
  A.對(duì)于一個(gè)新來(lái)的任務(wù)，計(jì)算它所需要的頁(yè)面數(shù)N，然后查看位示圖，看是否還有N個(gè)空閑的物理頁(yè)面。
  B.如果有足夠的空閑物理頁(yè)面，就去申請(qǐng)一個(gè)頁(yè)表，其長(zhǎng)度為N，并把頁(yè)表的起始地址填入到該任務(wù)的控制塊中。
  C.分配N個(gè)空閑的物理頁(yè)面，把他們的變換填到頁(yè)表中，建立邏輯頁(yè)面與物理頁(yè)面直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
  D.修改位示圖，對(duì)剛剛被占用的那些物理頁(yè)面進(jìn)行標(biāo)記。
• 地址映射的基本思路：
  A.邏輯地址分析：對(duì)邏輯地址，找到它所在的邏輯頁(yè)面，以及它在頁(yè)面內(nèi)的偏移地址。
  B.頁(yè)表查找：根據(jù)邏輯頁(yè)面號(hào)，從頁(yè)表中找出它對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)面號(hào)。
  C.物理地址合成：根據(jù)物理頁(yè)面號(hào)和頁(yè)內(nèi)偏移地址，最終確定物理地址。
• 邏輯地址分析：
  頁(yè)面的大小都是2的整數(shù)次冪。對(duì)于給定的一個(gè)邏輯地址，可以直接把它的高位部分作為邏輯頁(yè)面號(hào)，把它的低位部分作為頁(yè)內(nèi)偏移地址。例如，假設(shè)頁(yè)面的大小是4KB，即2的12次冪，邏輯地址為32為，那么在一個(gè)邏輯地址當(dāng)中，最低12位為頁(yè)內(nèi)偏移地址，而剩下的20位就是邏輯頁(yè)面號(hào)。
• 計(jì)算方法：
  邏輯頁(yè)面號(hào)＝邏輯地址/頁(yè)面大小
  頁(yè)內(nèi)偏移量＝邏輯地址％頁(yè)面大小
  頁(yè)表查找：頁(yè)表作為操作系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常保存在內(nèi)核的地址空間中。頁(yè)表基地址寄存器用來(lái)指向頁(yè)表的起始地址；頁(yè)表長(zhǎng)度寄存器用來(lái)指示頁(yè)表的大小，即對(duì)于當(dāng)前任務(wù)，它總共包含有多少個(gè)頁(yè)面。
  物理地址合成：假設(shè)物理頁(yè)面號(hào)為f，頁(yè)內(nèi)偏移地址為offset，每個(gè)頁(yè)面大小為2n，那么相應(yīng)的物理地址為：f×2n+offset。

9、虛擬存儲(chǔ)管理

• 程序局部性原理：時(shí)間局限性和空間局限性。
• 虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理：在頁(yè)式管理的基礎(chǔ)上，增加了請(qǐng)求調(diào)頁(yè)和頁(yè)面置換的功能。
• 基本思路：當(dāng)一個(gè)用戶程序需要調(diào)入內(nèi)存去運(yùn)行時(shí)，不是將這個(gè)程序的所有頁(yè)面都裝入內(nèi)存，而是只裝載部分的頁(yè)面，就可以啟動(dòng)這個(gè)程序運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)要執(zhí)行的指令或者訪問(wèn)的數(shù)據(jù)不在內(nèi)存當(dāng)中，就向系統(tǒng)發(fā)出缺頁(yè)中斷請(qǐng)求，然后系統(tǒng)在處理這個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)將保存在外存中的相應(yīng)頁(yè)面調(diào)入內(nèi)存，從而使該程序能繼續(xù)運(yùn)行。
• 在虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理中，頁(yè)表包含：邏輯頁(yè)面號(hào)、物理頁(yè)面號(hào)、駐留位、保護(hù)位、修改位和訪問(wèn)位。
  -常用的頁(yè)面置換算法：
  A.最優(yōu)頁(yè)面置換算法：理想化算法。
  B.最近最久未使用算法：鏈表法和棧方法。尋找長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被訪問(wèn)的頁(yè)面。
  C.最不常用算法：每個(gè)頁(yè)面設(shè)置一個(gè)訪問(wèn)計(jì)數(shù)器。
  D.先進(jìn)先出算法：性能比較差。
  E.時(shí)鐘頁(yè)面置換算法：把頁(yè)面組成環(huán)形鏈表，類似時(shí)鐘面。
• 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)任務(wù)剛剛啟動(dòng)的時(shí)候，它會(huì)不斷去訪問(wèn)一些新的頁(yè)面，然后逐步建立一個(gè)比較穩(wěn)定的工作集。工作集是指當(dāng)前任務(wù)正在使用的邏輯頁(yè)面的集合。如果分配給一個(gè)任務(wù)的物理頁(yè)面數(shù)太少，不能包含整個(gè)的工作集，任務(wù)將會(huì)造成很多缺頁(yè)中斷，需要頻繁地進(jìn)行頁(yè)面置換，這種現(xiàn)象稱為“抖動(dòng)”。