計算機組成原理（五）：程序裝載

在計算機組成原理中，程序裝載（Program Loading）是指將程序從外存（如磁盤）加載到內存中，并為其運行做好準備的過程。程序裝載是實現程序從靜態存儲狀態到動態運行狀態的關鍵環節，涉及地址映射、內存分配和鏈接等技術。

程序裝載

概念

程序裝載的目的是將存儲在外存上的程序（目標代碼）搬移到內存中，分配資源并確保它能在處理器上執行。
裝載過程主要包括：

讀取程序目標代碼（從外存載入）。
地址映射（將邏輯地址映射為物理地址）。
鏈接外部模塊或庫（靜態或動態）。
初始化運行環境（如棧和堆的分配）。

程序裝載與地址空間

邏輯地址和物理地址

邏輯地址（Logical Address）：
- 程序編譯或運行時產生的地址，通常以程序的起始位置為基準（相對地址）。
物理地址（Physical Address）：
- 內存中實際的硬件地址，用于訪問物理存儲單元。
地址映射：
- 絕對裝載： 邏輯地址 = 物理地址。
- 可重定位裝載： 邏輯地址 + 重定位基址 = 物理地址。
- 動態裝載： 由操作系統或硬件在運行時完成地址映射。

虛擬內存的支持

程序裝載與虛擬內存技術結合后，可以實現：

按需分頁： 僅在程序運行時加載實際用到的內存頁。
地址轉換： 利用頁表或段表將虛擬地址映射到物理地址。
內存保護： 不同程序的虛擬地址空間相互隔離。

程序裝載與鏈接

靜態鏈接

在編譯階段，將所有引用的庫和模塊鏈接到目標代碼中。
裝載時不需要額外鏈接操作，直接運行。
優點：
- 裝載速度快。
- 運行時無需依賴外部庫，適合獨立運行的程序。
缺點：
- 程序體積大，浪費內存。
- 庫函數版本更新后需重新編譯。

動態鏈接

在程序運行時加載所需的庫和模塊，按需解析外部符號。
常用于操作系統提供的共享庫（如 .so 文件或 .dll 文件）。
優點：
- 減少程序的體積和內存占用。
- 方便模塊復用和庫函數的更新。
缺點：
- 運行時需要額外處理，增加復雜性。
- 依賴動態鏈接器支持。

程序裝載與操作系統的關系

操作系統在程序裝載過程中起到了關鍵作用：

內存管理：
- 提供內存分配與地址重定位機制（分段、分頁、虛擬內存等）。
裝載器的實現：
- 引導裝載器（Bootstrap Loader）： 負責加載操作系統核心程序。
- 用戶程序裝載器： 管理用戶程序的加載和初始化。
資源分配：
- 分配運行所需的內存、CPU、I/O設備等資源。
多道程序環境支持：
- 確保多個程序能同時裝載和運行，防止資源沖突。

程序裝載的優化技術

延遲加載（Lazy Loading）

僅在程序實際使用某模塊時才加載對應代碼或數據。

按需分頁

結合分頁技術，只有當前訪問的頁被加載到內存，未使用部分保持在外存中。

預取與緩存

裝載時預測程序下一步可能訪問的內存區域，提前加載以減少延遲。

內存分段

內存分段（Segmentation）是一種從邏輯結構出發的內存管理技術，將內存劃分為若干大小不等的邏輯段，每個段對應一個完整的邏輯單元（如代碼段、數據段、棧段等）。

概念

段（Segment）：

一個段是一個邏輯單元，如一個函數、數組或全局變量。
每個段有自己的長度和起始地址。

邏輯地址（段式地址）：

由段號和段內偏移組成，表示地址在某段中的相對位置。

段表（Segment Table）：

保存每個段的基址（Base Address）和段長（Limit）。
系統通過段表將邏輯地址映射為物理地址。

內存分段的地址轉換

地址轉換的步驟如下：

根據邏輯地址中的段號查段表，找到該段的基址。
將段內偏移加上基址，得到物理地址。
如果段內偏移超出段長，產生段越界錯誤。

公式：

物理地址=段基址+段內偏移

特點

優點：

符合程序的邏輯結構，便于模塊化編程和共享。
每個段可以獨立管理和保護，增強安全性。
段可動態增長或縮小（適合堆、棧結構）。

缺點：

容易產生外部碎片，即不同段之間無法充分利用的小塊空閑內存。
硬件實現復雜，需要支持段表和段號管理。

內存分頁

內存分頁（Paging）是一種從物理實現出發的內存管理技術，將內存和程序分為大小固定的塊（頁），以提高內存利用率，解決碎片問題。

概念

頁（Page）：

程序的邏輯內存按照固定大小分成若干頁（通常為4KB）。

頁框（Frame）：

物理內存被劃分為與頁大小相同的頁框。

頁表（Page Table）：

保存頁號到頁框號的映射關系。

邏輯地址（分頁地址）：

由頁號和頁內偏移組成，頁號用于查頁表，頁內偏移用于定位頁內具體地址。

內存分頁的地址轉換

地址轉換的步驟如下：

根據邏輯地址中的頁號查頁表，找到對應的物理頁框號。
將頁內偏移加上物理頁框基址，得到物理地址。

公式：

物理地址=頁框基址+頁內偏移

特點

優點：

消除了外部碎片，頁與頁框大小固定，分配更高效。
實現虛擬內存機制，支持按需分頁和內存交換技術。
程序邏輯地址是連續的，物理地址可分散，提高內存利用率。

缺點：

可能產生內部碎片，即頁中未使用的部分浪費內存。
地址轉換需要額外的硬件支持（如頁表和TLB）。
頁表可能占用大量內存，尤其在大地址空間中。

分頁與分段的對比

特性	內存分段	內存分頁
基本單位	段：邏輯單元，大小可變	頁：固定大小，通常為4KB或8KB
管理視角	從邏輯結構出發（程序員視角）	從物理內存出發（操作系統視角）
地址組成	段號 + 段內偏移	頁號 + 頁內偏移
地址映射	段表（基址 + 段內偏移）	頁表（頁號 + 頁內偏移）
碎片問題	存在外部碎片，無內部碎片	無外部碎片，但可能產生內部碎片
優點	符合邏輯單元劃分，便于模塊化設計	內存利用率高，支持虛擬內存和按需加載
缺點	外部碎片問題嚴重，需要硬件段表支持	頁表存儲開銷大，需要額外硬件支持
靈活性	動態調整較靈活（段可擴展）	頁固定大小，不適合動態擴展