计算机操作系统——存储器管理

系列文章目次

1.存储器的条理布局
2.程序的装入和链接
3.连续分配存储管理方式（内存够用）
4.对换（Swapping）(内存不敷用)
5.分页存储管理方式
6.分段存储管理方式

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   文章目次

  

• 系列文章目次
  
• 前言
  
• 一、存储器的存储布局
  
• 寄存器：
  
• 高速缓存：
  
• 主存储器：
  
• 磁盘缓存：
  
• 总结
  

  

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前言

     根据我们前面讲的操作系统的内容，说白了这章我们处理的就是作业来了放那里？存储器历来都是计算机系统的重要组成部分。近年来，随着计算机技术的发展，系统软件和应用软件在种类、功能上都急剧地膨胀，固然存储器容量一直在不停扩大，但仍然不能满足现代软件发展的需要。因此，存储器仍然是一种宝贵而又稀缺的资源。怎样对它加以有效的管理，不仅直接影响到存储器的利用率，而且对系统性能也有巨大影响。存储器管理的主要对象是内存。由于对外存的管理与对内存的管理相类似，只是它们的用途不同，即外存主要用来存放文件，以是我们把对外存的管理放在文件管理一章介绍，下面我也轻微讲点外存。

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一、存储器的存储布局：

     在计算机实行时，险些每条指令都涉及对存储器的访问，因此要求对存储器的访问速度能跟上处理机的运行速度。或者说，存储器的速度必须非常快，能与处理机的速度相匹配，否则会明显影响随处理机的运行。此外还要求存储器具有非常大的容量，而且存储器的价格还应很自制，对于这样十分严格的三个条件，如今是无法同时满足的。于是，现代计算机系统中都无一例外地采用了多层布局的存储器系统。
    1.多层布局的存储器系统：
     对于通用计算机而言，存储条理至少具有三级：最高为CPU寄存器，中央是主存，最底层是辅存。在存储条理中，条理越高（越靠近CPU），存储介质的访问速度越快，价格也越高，相对所设置的存储容量也越小。其中，寄存器，高速缓存，主存储器和磁盘缓存均属于操作系统存储管理的管辖范畴，掉电后它们存储的信息不再存在。而低层的固定磁盘和可移动存储介质则属于设备管理的管辖范畴，它们存储的信息将被恒久保存。

            

       
 寄存器（Registers）​​

• ​​定义与位置​​：
  寄存器是CPU内部的一小部分存储单元，直接集成在处理器中，是计算机系统中​​速度最快​​的存储介质。
  
• ​​特点​​：
  
  
  
  • ​​容量极小​​：通常每个寄存器仅存储几个字节（如32位或64位）。
    
  • ​​速度极快​​：访问延迟为纳秒级，与CPU时钟同步。
    
  • ​​专用性​​：用于存储当前实行的指令、操作数或地点（如程序计数器、指令寄存器等）。
    
  
  
• ​​管理方式​​：
  
  
  
  • 由​​编译器或操作系统​​在程序实行时直接受理，通过指令集架构（ISA）袒露给程序员或操作系统。
    
  • 在​​上下文切换​​时，操作系统需要保存和恢复寄存器的状态。
    
  
  

      
高速缓存（Cache）​​

• ​​定义与位置​​：
  高速缓存（Cache）是介于寄存器和主存之间的存储器，通常分为多级（L1、L2、L3），位于CPU芯片内部或附近。
  
• ​​特点​​：
  
  
  
  • ​​速度较快​​：访问速度接近寄存器（L1 Cache延迟约1-3个时钟周期）。
    
  • ​​容量有限​​：L1 Cache通常为KB级（如32KB-64KB），L3 Cache可达MB级。
    
  • ​​透明性​​：对程序员透明，由硬件自动管理。
    
  
  
• ​​作用​​：
  
  
  
  • 利用​​局部性原理​​（时间局部性、空间局部性）缓存最近使用的内存数据，淘汰CPU访问主存的次数。
    
  • 缓解CPU与主存之间的速度差异（​​“内存墙”​​问题）。
    
  
  
• ​​管理方式​​：
  
  
  
  • 由硬件（如缓存控制器）自动完成数据的加载、更换（如LRU算法）和一致性维护（如MESI协议）。
    
  • 操作系统可能需要处理​​缓存一致性​​问题（尤其在多核系统中）。
    
  
  

主存储器（Main Memory，RAM）​​

• ​​定义与位置​​：
  主存储器（内存）是计算机的​​核心工作存储区域​​，由动态随机存取存储器（DRAM）构成，通过总线与CPU毗连。
  
• ​​特点​​：
  
  
  
  • ​​速度中等​​：访问延迟约几十到几百纳秒。
    
  • ​​易失性​​：断电后数据丢失。
    
  • ​​容量较大​​：现代计算机内存通常为GB级（如8GB-128GB）。
    
  
  
• ​​作用​​：
  
  
  
  • 存储​​当前正在运行的程序和数据​​，供CPU直接读写。
    
  • 作为高速缓存和磁盘之间的中转站。
    
  
  
• ​​管理方式​​：
  
  
  
  • 操作系统负责​​内存分配、回收、虚拟内存管理​​等。
    
  • 通太过页、分段等技术实现进程隔离和内存保护。
    
  
  

磁盘缓存（Disk Cache）​​

• ​​定义与位置​​：
  磁盘缓存是主存储器（内存）中预留的一部分区域，用于缓存频仍访问的磁盘数据。
  
• ​​特点​​：
  
  
  
  • ​​非易失性无关​​：数据仍存储在易失性内存中，但缓存的是非易失性磁盘的数据。
    ​​容量灵活​​：巨细由操作系统动态调整（如Linux的Page Cache）。
    
  
  
• ​​作用​​：
  
  
  
  • 淘汰直接访问磁盘的次数，提升I/O性能（磁盘访问延迟为毫秒级）。
    
  • 合并多次小写操作，优化磁盘写入服从。
    
  
  
• ​​管理方式​​：
  
  
  
  • 由操作系统文件系统管理（如Linux的pdflush机制）。
    
  • 使用​​回写（Write-back）​​或​​直写（Write-through）​​策略包管数据一致性。
    
  
  

     总结：反正我们要知道的就是磁盘中保存的数据一定是永久的，但主存储器当中的是暂时的，就是断电以后数据就会消失了。
高速缓存容量宏大于寄存器，而比内存约小两到三个数量级左右，从几十KB到几MB，访问速度快于主存储器。
还有对于磁盘缓存来说，一个文件的数据可能先后出如今不同条理的存储器中，比方，一个文件的数据通常被存储在辅存中（如硬盘），当其需要运行或被访问时，就必须调入主存，也可以暂时存放在主存的磁盘高速缓存中。

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总结

    以上就是我们要讲的内容，就是我们简单的分析了存储器的存储条理布局，下面我们会讲内存的分配方式，我会持续更新的。

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