前言
以<深入明确计算机系统>(以下称“本书”)内容为基础，对程序的整个过程进行梳理。本书内容对整个计算机系统做了系统性导引,每部门内容都是单独的一门课.学习深度根据自己必要来定
引入
接续上一帖
物理和假造寻址
1>物理寻址
CPU访问内存的最天然方式就是使用物理地点,我们把这种方式称为物理寻址(黑体字是原话),本书P560页有个表示图,访问地点4开始的4字节字.假设地点4的物理地点是0x12345678,那么用汇编语言是这样写的:
- //汇编代码
- movel 0x12345678,%eax //传递4字节数据进CPU寄存器%eax,假设是32位系统
----解读:物理寻址在超级计算机中仍然使用,说明他大概并不必要实行多使命.
2>假造寻址
使用假造寻址,CPU通过生成一个假造地点(Virtual Address,VA)来访问主存,这个假造地点在被送到内存之前先转换成恰当的物理地点.地点翻译必要CPU硬件和操作系统之间的紧密合作.CPU芯片上叫做内存管理单元MMU (黑体字是原话)
----解读:CPU由向物理地点要数据转而向假造地点要数据.假造地点由MMU翻译成物理地点,两者之间存在对应关系.见本书P560
回首CPU的工作过程:
1)CPU以进程为单位实行代码,代码编译后是机器指令
2)机器指令在操作数据,指令本身也是数据.数据以地点情势存在.
3)CPU向存储索要数据,并将处理好的数据发回存储.
白话:CPU对寄存器说,我要干活,请把活路儿(指令)给我.假如是物理寻址,寄存器找物理地点(按照存储条理,从高速缓存开始直到内存);假如是假造寻址,寄存器把假造地点发给MMU,后者找到对应的物理地点给他.
假造地点的优势在于方便数据(地点)的管理:每个进程都按照雷同的假造地点排布,例如代码地点从0x400000000开始.别的部门类似规律,参考本书P510图"进程地点空间",这是假造内存划一性的体现.程序员在编程时每个程序的数据都按照此种方法去申请地点,实行时由调度算法确定.
地点空间
一个地点空间的巨细是由表现最大地点所必要的位数来描述的(黑体字是原话)
----解读:这算是计算机里很基础的一个知识点了.好比n位系统,最大寻址本领2的n次方.他可以表现2的n次方个数据,由于编号从0开始,以是表现范围:0~2的n次方-1.例如有一个数组a[n],a[0]表现该数组中第一个元素,末了一个元素用a[n-1]表现.还有一点,n位系统每个数据最大表现值也是2的n次方-1.
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题外话:笔者以为在恣意时候,把"地点"明确为"数据"都是可以的,利于培养一种感觉.
例如:1.一个32位地点,他表现一个4字节的数据.
2.一张桌面有100万个像素点(分辨率约莫720P),每个点16位(2字节)色彩,则必要2X3X100万=600万个字节,即一幅图占6MB空间.刷新率100hz,则6X100=600MB,显存空间600MB.
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允许每个数据对象有多个独立的地点,此中每个地点都选自一个差别的地点空间.这就是假造内存的基本头脑.主存中的每字节都有一个选自假造地点空间的假造地点和一个选自物理地点空间的物理地点. (黑体字是原话)
----解读:每个数据都有物理地点空间和假造地点空间,他们是在数据巨细方面是对应关系.但有共享数据,即一个物理地点可以对应多个假造地点.
缓存概述与内容
缓存是本书第六章内容。他的大概意思是这样的：计算机全部数据都要由CPU寄存器处理，开始时寄存器直接向内存（主存）寻址，速度比较慢。后来计算机在设计时引入了多条理存储机制，在CPU寄存器往下设置了一，二，三级（也不肯定就限定三级）缓存，再到主存。上层数据是下层的子集，上层容量小，速度快，下层容量大，速度慢。这样做的目的是：越常用的数据越靠近寄存器，节流调用数据时间。
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以下内容属于发散思考,不做完全精确的保证.
缓存的内容有什么？以一级缓存为例
说明:一级缓存L1向上一级的缓存是CPU寄存器. 本书第三章内容中,当进程切换时有寄存器压栈,上下文切换的操作.以是可预见的相干数据被放入一级缓存中.当进程切换返来时,相干数据将被再次使用.
而其他非一级缓存内容大概只有进程指令和进程操作数,不包含进程上下文了.包罗其他进程,例如进程2,进程3到进程n的内容.
指令中的操作数是假造地点---包含在右边第一列的每一项当中,即:指令=指令码地点+操作数地点,操作数地点.举例:moveq 0x1000,%rax;而内存管理单元(MMU)负责把0x1000翻译成物理地点,从内存中取出数据放入缓存的操作数序列---右边第二列.CPU运行时从缓存的操作数序列中取出地点(数据)进行计算.以是CPU还必要维护一个地点偏移量.他们的关系是:物理地点→假造地点→缓存中的地点.
---对于写应用代码的程序员来说,这部门属于超纲了,以是不必深究,设计操作系统的人才会去考虑这个题目.发散思维是为了保持思考.
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假造内存作为缓存工具
本书P561:假造内存被组织为一个由存放在磁盘上的N个一连的字节巨细的单元组成的数组.每字节都有一个唯一的假造地点,作为到数组的索引.(黑体字是原话)
----解读:缓存的数据单元巨细是4kb～2Mb.假造地点和物理地点存在对应关系.笔者以为原书在这里表述错误.每段假造内存都有唯一的假造地点,作为到数组的索引.缓存的巨细是约定好的.假设物理地点是0x10000000,对应的假造地点是0x20000000,那么0x10001000和0x20001000(十进制相差4096,也就是4k个字节).他们之间的数据部门是对应的.
这里有一个小细节:是否必要数据的4k对齐.复习数据对齐的概念:计算机以字长为单位寻址.例如32位机,每两个数据(地点)之间相差4,以0x00,0x04,0x08,0x0c为末了寻址.以是在<C Prime Plus>那本书里有讲过数据对齐的概念.即设计的数据类型,巨细是4字节的整数倍(32位机),方便数据的查找.那么,程序运行的每个场景所必要的数据,是否也应该保证4k字节的对齐?同时假如不能对齐,对程序的影响大不大?试想差异一个页帧,4k数据在大型系统中险些没影响,假如是资源比较少的系统中大概会必要考虑.但具体环境笔者不清楚,可以作为以后分析程序的一个点去关注
假造内存按是否缓存状态分为:未分配,已缓存,未缓存这三种.他的含义是以状态为依据调配数据,很好明确.
假造页很大的原因
本书P562 硬盘缓存到内存中的速度很慢,以是缓存的数据单元---假造页的巨细做得比较大.一般是4Kb～2Mb
假造内存的实现基础--数据的访问机制
在32位机时代,有个说法:最大寻址本领4GB.以是物理内存4GB是极限,超过部门起不到作用.事实真的是这样吗?准确说法是:32位机访问的数据块巨细最大是4GB.因为有个叫做"指针"的东西可以对数据进行扩展.用一个指针指向≤4GB的数据块,则把一个4GB的数据"浓缩"成一个4B(字节)的数据(指针).访问数据时先通过指针,再进行寻址.理论上8位性能访问的数据,也可以是无限的.以是,数据的访问机制,支持了操作系统可以对全部数据同一编址,同一管理.
笔者记得winXP系统的文件巨细有4GB限制,原因大概是操作系统不支持用指针扩展数据访问.
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MMU(内存管理单元)和缓存原理
编译后的程序,是一些代码文件(机器指令),以及代码中必要的数据文件(数据).他们被放在硬盘中.操作系统会对其进行编址,这个地点就是假造地点.
当开始运行程序时,代码文件和数据文件会被分别为4KB巨细的数据块,调入内存,并逐级向上进入CPU寄存器,交由CPU处理.由于数据块巨细固定,以是MMU只必要记录首地点即可.
---说明:图中地点属假设.
每个地点间相差0x1000,即2的12次方个字节,4KB字节巨细数据.
假如代码有必要使用假造地点为0x10000500的数据,需指针指向0x60000000的地点(一级缓存中的地点),再偏移0x00000500个单元,再取出数据.
页表
页表在对每级数据缓存进行管理,监督缓存的结果,假如没缓存到位调用内核程序通报数据,也就是使用moveq指令.笔者以为除了DRAM动态缓存(从硬盘调入主存)有页表,其他SRAM也会有页表.本书中没说.
本书中有个页表工作表示图,提取了MMU表示图的一部门来工作.明确了MMU的原理,页表就轻易明确了.
缓存内容补充
按照程序设计的思路,内存中应分别静态存储区,动态分配存储区,临时存储区.他们各司其职.以是缓存表示图(本贴第一张图)并不完善,每个进程中还应有这些地区分别.而缓存容量是有限的,原则是当前使用越频仍的数据,越靠近CPU寄存器.以是缓存的更换算法,应该是比较复杂的.如何在有限区间内合理分配每个数据块的巨细,也如上所述,这些是写操作系统的人和设计芯片的工程师考虑的,写软件的只是稍作思考.
分割线内的内容属于发散思考,不保证完全准确
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时间局部性和抖动
使用过老旧电脑的人会有深刻的领会:内存小了,CPU慢了,硬盘指示灯一直在闪烁,画面险些静止不动.这就是抖动.原理是硬盘和内存一直在交换数据,CPU险些腾不出空来计算.
小结
假造内存长处有以下两点:
1>同一数据管理.全部的代码,以及代码中要求的数据,都是操作系统能访问和控制的地点.
2>灵活数据使用.只有程序被运行时,数据才会被调入内存,交给CPU计算.MMU表内,假造地点和物理地点两项不会变,但主存,SRAM各个缓存中的地点是随机的.
题外话:这部门内容属于底层比较难的,笔者的角度好像一个小孩子看见精密的一台装备开始各种料想,只是做个浅见.
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