嵌入式基础知识-存储管理

上篇介绍了存储器的相关知识，偏重的是硬件结构，本篇介绍存储管理的相关知识，偏重的是软件管理。

1 存储管理概念

操作系统，包括嵌入式系统，通常利用存储管理单元MMU（Memory Management Unit）来提供内存保护机制，实现系统内核与应用程序，应用程序与应用程序之间的隔离。

内存保护包括两个方面：

• 防止地址越界：对于多个应用程序，每个应用程序都有自己独立的地址空间。
• 防止操作越界：对于多个应用程序共享的内存区域，每个应用程序都有自己的访问权限。

存储管理的方式，通常可以分为一下几类：

• 分区存储
• 页式存储
• 段式存储

2 分区存储

分区存储又可分为两类：

• 固定分区存储：分区大小是固定的
• 可变分区存储：分区大小是可变的

2.1 固定分区存储

固定分区，是指分区的个数、位置、大小一旦确定后，就不再变化了。另外，分区的大小可以是相等的，也可以是不相等的。

对于新任务到来后的内存分配原则，有两种：

• 多个输入队列：对于每一个用户分区，都有一个相应的输入队列。当一个新任务到来时，就把它加入到对应的队列中，要求这个队列对应的分区，是能够装得下该任务的最小分区。
• 单个输入队列：所有的用户分区只设置一个输入队列。当一个新任务到来时，就把它加入到对应的队列中，当某个分区空闲时，就从队列中选择合适的任务去占用这个分区，在任务选择时，可以有两种分配方法：
  • 方式一：选择离对首最近的且能够装入这个分区的任务。当选中的是较小的任务时，则会浪费大量内存空间。
  • 方式二：先搜索整个队列，选择能够装入这个分区的最大任务，尽可能减小空间浪费。

对于固定分区：

• 优点：易于实现，系统开销较小（空闲空间管理、内存分配与回收算法复杂度低）
• 缺点：内存利用率不高，产生内存碎片；分区总数固定，限制了并发程序的个数

2.2 可变分区存储

可变分区，是指分区不是预先划分的，而实动态创建的，在装入一个程序时，系统根据它的需求和内存空间的使用情况来决定是否分配。

当一个程序开始运行，要求装入内存时，系统就会从空闲区划出一块进行分配；当程序运行完则释放存储区域，变为空闲区。

在具体实现可变分区管理时，需考虑三个方面问题：

• 内存管理的数据结构：系统会维护一个分区链表，记录每个内存分区的情况（分配状态、起始地址、长度等）
• 内存的分配算法：当新任务到来时，需决策分配到哪个空闲分区，通常有4种分配法 ：
  • 最先匹配法：从链表头，按顺序找到第一个能装入新任务的空闲分区。接着把该空闲分区中按照任务大小分割，剩余的部分仍是一个空闲分区，将任务装入，并更新分区链表
  • 下次匹配法：与最优匹配法类似，区别是每次分配后记录位置，下次再分区时从此位置开始查找，而不是从固定的链表头开始查找
  • 最佳匹配法：将新任务状态与其大小最接近的空闲分区中。这种方法最大的缺点是产生的空闲分区可能很小而无法使用
  • 最坏匹配法：每次都选用最大的分区进行分配，避免出现不可用的极小分区，但较大的空闲分区也不被保留
• 内存的回收算法：当任务运行结束释放内存时，若有相邻的空闲分区，则需要合并为一个大的空闲分区，并更新分区链表

对于内存的分配算法，可以看下如下实例：某计算机系统内存大小128k，采用可变分区分配方式进行内存分配，当前系统的内存分块情况如下图左图，现有一个作业4要分配9k的内存，这这种分配算法的分区情况如下图右边4个子图所示

可变分区改善了固定分区的一些缺点，但作为分区存储本身，仍有一些无法解决的问题：

• 当进程运行所需的内存大于系统内存时，则无法将整个进程一起调入内存，从而无法运行该程序

3 页式存储

页式存储，将进程空间分配为一个个页，同时将系统内存也分配为一个个页，例如都是4K的大小。

这样，运行程序时，每次将需要运行的逻辑页状态内存中，运行完再装入下一个要运行的页，这样就解决了空间极大的进程运行的问题。

对于逻辑页，可以用页号和页内地址表示：

• 页号：与内存中的物理块号并不是对应的，需要通过查询“页表”得到对应的物理块号
• 业内地址：或称页内偏移量，与内存中的物理偏移地址是一致的

比如上图中，其地址长度32位，页号占用20位，页内地址占用12位，则页面总数为2^{20=1024K=1M个，页面大小为2}12=4K

对于页表的表示，如下图，左边是进程中的页号，通过查询页表，可以得到右边内存中对应的块号。

通过页表的方式，可以实现从逻辑地址到物理地址的转换。

• 逻辑地址：页号+业内偏移
• 物理地址：物理块号+页内偏移地址

两种地址的页内偏移是一样的，所以地址转换，只需要先计算出页号与物理块号的转换关系，即可进行地址转换。

页式存储的地址转换，可看如下实例：

题目：页面大小L为1k字节，页号2对应的内存块号b=8，将逻辑地址A=2500转换为物理地址E

由题目可得如下分析：

• 页面大小1k，则页内地址占用10位
• 逻辑地址2500转为16进制为0x09C4，取低10位为业内地址，即0x01C4，页号为0x02
• 由题目知页号为0x02对应的内存块号为8，对应的16进制为0x08，将其与业内地址组合，可得物理地址为0x0x21C4，十进制即为8644。

或直接使用十进制计算：

• 页号P=A/L=2500/1024=2，由题目知，其对应的内存块号为8

• 业内偏移w=A%L=2500%1024=452

• 则物理地址为:

  E=b*L+w=8*1024+452=8644
  

页式存储的优缺点：

• 优点：内存利用率高，内存碎片小，分配与管理简单
• 缺点：增加了系统的开销，可能产生抖动现象

4 段式存储

段式存储与页式存储比较相似，区别是段式存储不是按照固定的大小分割内存，而是根据进程的逻辑功能进行空间画法，这样便于内存共享，只是每段的空间大小不同。

4.1 基本原理

与页式存储类似，段式存储每段的表示，由段号和段内地址组成。

从逻辑地址到物理地址的转换，则是通过段表的查询来实现。

看一个实例，例如，某进程的段表内容如下，当访问段号2，段内地址400的逻辑地址时，进行地址转换则会出现越界异常

段号	段长	内存起始地址	权限	状态
0	100	6000	只读	在内存
1	200	–	读写	不在内存
2	300	4000	读写	在内存

因为段号2对应的段长只有300，而段内地址400则超出了范围，地址4400为非法地址

4.2 段页式存储

段页式存储，则是将段式存储和页式存储结合起来使用，对进程空间先分段，再分页。

段页式存储优缺点：

• 优点：空间浪费小，便于存储共享与存储保护，可以动态链接
• 缺点：管理的复杂度与开销增大，需要的硬件增加，执行速度下降

5 总结

本篇介绍了存储管理的相关知识，包括存储管理的分类：分区存储、页式存储和段式存储，已经不同存储方式的地址转换方式与优缺点等。