系列文章目錄

1.存儲器的層次結構

2.程序的裝入和鏈接

3.連續分配存儲管理方式（內存夠用）

4.對換（Swapping）(內存不夠用)

5.分頁存儲管理方式

6.分段存儲管理方式

---

---

前言

? ? ?根據我們前面講的操作系統的內容，說白了這章我們處理的就是作業來了放哪里？存儲器歷來都是計算機系統的重要組成部分。近年來，隨著計算機技術的發展，系統軟件和應用軟件在種類、功能上都急劇地膨脹，雖然存儲器容量一直在不斷擴大，但仍然不能滿足現代軟件發展的需要。因此，存儲器仍然是一種寶貴而又稀缺的資源。如何對它加以有效的管理，不僅直接影響到存儲器的利用率，而且對系統性能也有重大影響。存儲器管理的主要對象是內存。由于對外存的管理與對內存的管理相類似，只是它們的用途不同，即外存主要用來存放文件，所以我們把對外存的管理放在文件管理一章介紹，下面我也稍微講點外存。

---

一、存儲器的存儲結構：

? ? ?在計算機執行時，幾乎每條指令都涉及對存儲器的訪問，因此要求對存儲器的訪問速度能跟上處理機的運行速度。或者說，存儲器的速度必須非常快，能與處理機的速度相匹配，否則會明顯影響到處理機的運行。此外還要求存儲器具有非常大的容量，而且存儲器的價格還應很便宜，對于這樣十分嚴格的三個條件，目前是無法同時滿足的。于是，現代計算機系統中都無一例外地采用了多層結構的存儲器系統。

? ? 1.多層結構的存儲器系統：

? ? ?對于通用計算機而言，存儲層次至少具有三級：最高為CPU寄存器，中間是主存，最底層是輔存。在存儲層次中，層次越高（越靠近CPU），存儲介質的訪問速度越快，價格也越高，相對所配置的存儲容量也越小。其中，寄存器，高速緩存，主存儲器和磁盤緩存均屬于操作系統存儲管理的管轄范疇，掉電后它們存儲的信息不再存在。而低層的固定磁盤和可移動存儲介質則屬于設備管理的管轄范疇，它們存儲的信息將被長期保存。

? ? ? ? ? ??

? ? ? ?

?寄存器（Registers）??

• ??定義與位置??：
  寄存器是CPU內部的一小部分存儲單元，直接集成在處理器中，是計算機系統中??速度最快??的存儲介質。
• ??特點??：
  • ??容量極小??：通常每個寄存器僅存儲幾個字節（如32位或64位）。
  • ??速度極快??：訪問延遲為納秒級，與CPU時鐘同步。
  • ??專用性??：用于存儲當前執行的指令、操作數或地址（如程序計數器、指令寄存器等）。
• ??管理方式??：
  • 由??編譯器或操作系統??在程序執行時直接管理，通過指令集架構（ISA）暴露給程序員或操作系統。
  • 在??上下文切換??時，操作系統需要保存和恢復寄存器的狀態。

? ? ??

高速緩存（Cache）??

• ??定義與位置??：
  高速緩存（Cache）是介于寄存器和主存之間的存儲器，通常分為多級（L1、L2、L3），位于CPU芯片內部或附近。
• ??特點??：
  • ??速度較快??：訪問速度接近寄存器（L1 Cache延遲約1-3個時鐘周期）。
  • ??容量有限??：L1 Cache通常為KB級（如32KB-64KB），L3 Cache可達MB級。
  • ??透明性??：對程序員透明，由硬件自動管理。
• ??作用??：
  • 利用??局部性原理??（時間局部性、空間局部性）緩存最近使用的內存數據，減少CPU訪問主存的次數。
  • 緩解CPU與主存之間的速度差異（??“內存墻”??問題）。
• ??管理方式??：
  • 由硬件（如緩存控制器）自動完成數據的加載、替換（如LRU算法）和一致性維護（如MESI協議）。
  • 操作系統可能需要處理??緩存一致性??問題（尤其在多核系統中）。

主存儲器（Main Memory，RAM）??

• ??定義與位置??：
  主存儲器（內存）是計算機的??核心工作存儲區域??，由動態隨機存取存儲器（DRAM）構成，通過總線與CPU連接。
• ??特點??：
  • ??速度中等??：訪問延遲約幾十到幾百納秒。
  • ??易失性??：斷電后數據丟失。
  • ??容量較大??：現代計算機內存通常為GB級（如8GB-128GB）。
• ??作用??：
  • 存儲??當前正在運行的程序和數據??，供CPU直接讀寫。
  • 作為高速緩存和磁盤之間的中轉站。
• ??管理方式??：
  • 操作系統負責??內存分配、回收、虛擬內存管理??等。
  • 通過分頁、分段等技術實現進程隔離和內存保護。

磁盤緩存（Disk Cache）??

• ??定義與位置??：
  磁盤緩存是主存儲器（內存）中預留的一部分區域，用于緩存頻繁訪問的磁盤數據。
• ??特點??：
  • ??非易失性無關??：數據仍存儲在易失性內存中，但緩存的是非易失性磁盤的數據。
    ??容量靈活??：大小由操作系統動態調整（如Linux的Page Cache）。
• ??作用??：
  • 減少直接訪問磁盤的次數，提升I/O性能（磁盤訪問延遲為毫秒級）。
  • 合并多次小寫操作，優化磁盤寫入效率。
• ??管理方式??：
  • 由操作系統文件系統管理（如Linux的pdflush機制）。
  • 使用??回寫（Write-back）??或??直寫（Write-through）??策略保證數據一致性。

? ? ?總結：反正我們要知道的就是磁盤中保存的數據一定是永久的，但主存儲器當中的是臨時的，就是斷電以后數據就會消失了。

高速緩存容量遠大于寄存器，而比內存約小兩到三個數量級左右，從幾十KB到幾MB，訪問速度快于主存儲器。

還有對于磁盤緩存來說，一個文件的數據可能先后出現在不同層次的存儲器中，例如，一個文件的數據通常被存儲在輔存中（如硬盤），當其需要運行或被訪問時，就必須調入主存，也可以暫時存放在主存的磁盤高速緩存中。

---

總結

? ? 以上就是我們要講的內容，就是我們簡單的分析了存儲器的存儲層次結構，下面我們會講內存的分配方式，我會持續更新的。