操作系统 3.1-内存使用和分段

如何简单使用内存

这张幻灯片展示了计算机如何开始执行程序的基本过程，涉及到存储器、指令寄存器（IR）、运算器和控制器等计算机组件。

1. 存储器：程序被加载到内存中。图中显示了一个指令 mov ax, [100]，它的作用是将内存地址100处的值移动到寄存器ax中。内存地址100处的值是0。

2. 指令寄存器（IR）：指令从内存中取出后，被放入指令寄存器（IR）中，然后由运算器和控制器解析并执行。

3. 运算器和控制器：这些组件负责解析指令并执行相应的操作。在这个例子中，指令被解析后，将内存地址100处的值（0）移动到寄存器ax中。

4. 程序执行：幻灯片下方展示了一个C语言程序的例子，该程序定义了一个main函数，其中包含了一些变量和对atoi函数的调用。程序的输出显示了不同的输入（如sum 12345）和相应的结果（如76205685）。

5. 内存使用：内存的使用方式：将程序放到内存中，程序计数器（PC）指向开始地址。这意味着程序的执行是从内存中的某个特定地址开始的，这个地址由PC指示。

内存使用

程序放入内存

这张幻灯片讨论了程序如何被加载到内存中，以及程序计数器（IP）如何指向程序的入口地址。幻灯片中展示了两种不同的内存布局方式，以及它们对程序执行的影响。

1. 程序结构：

   • 程序包含一个main函数，以及一些其他函数如call_xx和call_40。

   • .text段包含了程序的代码和入口点_entry。

2. 内存布局：

   • 第一种布局（左上角）：

     • _entry是程序的入口地址。

     • call_main和call_exit是调用main函数和其他函数的指令。

     • _main函数的偏移量是40。

   • 第二种布局（右下角）：

     • _entry仍然是程序的入口地址，但是_main函数的偏移量变成了1040。

3. 程序计数器（IP）：

   • IP指向程序的入口地址，即_entry。

   • 在第一种布局中，IP正确地指向了_entry，程序可以正常执行。

   • 在第二种布局中，如果IP仍然指向_entry，那么call 40指令将尝试调用一个不存在的地址，导致程序错误。

4. 问题：

   • 幻灯片右侧的问题指出，虽然内存可以使用了，但是存在一个问题，即在第二种布局中，调用指令没有正确地考虑_main函数的实际偏移量，导致程序可能无法正确执行。

重定位

重定位的概念

重定位是指修改程序中的地址，使其适应内存中的不同位置。这些地址通常是相对地址，即相对于程序在内存中的起始位置的偏移量。

编译时重定位

• 定义：在编译时完成重定位，即在编译过程中就确定了程序在内存中的绝对地址。

• 特点：

  • 程序只能在内存的固定位置运行。

  • 优点是加载速度快，因为不需要在加载时进行地址调整。

  • 缺点是缺乏灵活性，因为程序不能被加载到任意内存位置。

载入时重定位

• 定义：在程序加载到内存时完成重定位，即在加载过程中根据实际的内存地址调整程序中的相对地址。

• 特点：

  • 程序可以被加载到内存的任意位置。

  • 优点是灵活性高，因为程序可以适应不同的内存布局。

  • 缺点是加载速度可能较慢，因为需要在加载时进行地址调整。

图示解释

• 左侧图示：显示了编译时重定位的错误示例，其中call 40指令指向了错误的地址（1000），导致程序无法正确执行。

• 右侧图示：显示了载入时重定位的正确示例，其中call 1040指令正确地指向了新的地址（1040），确保程序可以正确执行。

运行时重定位

运行时重定位是在程序执行过程中，每执行一条指令时才完成地址的重定位。这种方法允许程序在内存中的加载位置更加灵活，因为程序中的逻辑地址可以在运行时被转换为物理地址。

图示解释

幻灯片中的图示展示了运行时重定位的过程：

• 逻辑地址：程序中的地址是相对于某个基地址的偏移量（offset），例如 _sum: .int 0 和 _main: mov [300], 0。

• 基地址（base）：每个进程都有一个基地址，这是进程在内存中的起始地址。

• 物理地址：通过将逻辑地址与基地址相加，得到实际的物理内存地址。

进程控制块（PCB）

• 基地址存储：PCB中存储了进程的基地址，这是运行时重定位的关键信息。

• 地址翻译：在执行指令时，操作系统首先从PCB中取出进程的基地址，然后根据指令中的逻辑地址计算出物理地址。

运行时重定位的步骤

1. 取出基地址：从PCB中取出进程的基地址。

2. 地址翻译：将逻辑地址与基地址相加，得到物理地址。

3. 执行指令：使用物理地址访问内存，执行指令。

交换

交换（Swap）的概念

交换是操作系统用来管理内存的一种技术，它涉及将暂时不活跃的进程从内存移动到磁盘上，以便为其他进程腾出内存空间。当需要再次运行被交换出去的进程时，操作系统会将其从磁盘重新加载到内存中。

可重定位性的重要性

幻灯片中提到“程序1仍应该是可重定位的”，这意味着程序在被加载到内存中时，其地址可以被动态调整以适应内存中的不同位置。这对于交换过程至关重要，因为：

• 当进程被从磁盘重新加载到内存时，它可能被放置在与之前不同的内存位置。

• 当一个进程被重新换入内存时，由于之前占据的内存空间可能已不再可用，因此需要进行运行时重定位，确保进程的地址在内存中被正确更新，以便能够根据当前内存地址找到相应的数据或指令，从而保证进程的正常执行。

总结-内存使用的详细过程

1. 创建进程和PCB：

   • 为了执行程序，操作系统需要创建一个进程，并为该进程创建一个进程控制块（PCB）。

   • PCB中存储了进程的状态信息，包括程序的基地址。

2. 在内存中找到空闲区域：

   • 操作系统在内存中寻找一个足够大的空闲区域来加载程序。

   • 找到的空闲区域的起始地址被设置为程序的基地址。

3. 加载程序：

   • 程序被加载到内存中找到的空闲区域。

   • 程序中的逻辑地址需要根据基地址进行调整，以确保程序可以正确执行。

4. 执行程序：

   • 程序开始执行，每次执行指令时，都需要进行地址翻译，将逻辑地址转换为物理地址。

   • 地址翻译涉及到基地址和偏移量的计算。

5. 进程切换和内存管理：

   • 在多任务操作系统中，进程可能会被切换出去，释放内存，或者被换入，重新加载到内存中。

   • 运行时重定位允许进程在内存中移动，而不影响其执行。

分段

程序员眼中的程序

1. 程序的组成：

   • 程序由若干个部分（段）组成，每个段具有不同的特点和用途。

   • 例如，代码段是只读的，而数据段可能会动态增长。

2. 程序的分段案例：

   • 主程序（main）：程序的入口点，通常包含程序的主要逻辑。

   • 变量集（data）：存储程序中使用的变量。

   • 函数库（如sin）：程序可能调用的函数集合，例如数学函数库。

   • 动态数组（array）：程序中动态分配的数组，其大小可能在运行时改变。

   • 栈（stack）：用于存储函数调用时的局部变量和返回地址，通常具有后进先出（LIFO）的特性。

3. 分段的优点：

   • 符合用户观点：用户可以独立考虑每个段，这有助于分治和模块化编程。

   • 独立管理：每个段可以独立地加载、卸载和保护，提高了程序的安全性和稳定性。

4. 地址定位：

   • 程序中的指令和数据可以通过段号和段内偏移来定位。

   • 例如，mov [es:bx], ax 指令中，es 表示段寄存器，bx 表示段内偏移。

程序的分段存储

1. 内存布局：

   • 程序在内存中被分为多个段，每个段从0开始，以便于管理和访问。

   • 这种布局方式简化了内存管理，因为每个段可以独立地加载到内存中的任何位置。

2. 段表：

   • 操作系统维护一个段表，记录每个段的基地址和其他属性。

   • 在进程切换时，操作系统会更新段表，以反映当前进程的内存布局。

3. 地址翻译：

   • 当程序访问内存时，操作系统使用段表将逻辑地址转换为物理地址。

程序分段如何放入内存

程序分段放入内存

1. 分段存储：

   • 程序不是作为一个整体被加载到内存中，而是将其分为多个段，每个段独立加载到内存的不同位置。

   • 图中显示了四个段（0, 1, 2, 3），它们被加载到内存中的不同区域。

2. 内存布局：

   • 内存被划分为多个区域，每个区域存储程序的一个段。

   • 比如图中案例，段0被加载到内存的180K位置，段1被加载到360K位置，段2被加载到70K位置，段3被加载到460K位置。

运行时重定位

1. 指令示例：

   • mov [DS:100], %eax：这条指令表示将寄存器eax的值移动到数据段（DS）偏移100的位置。

   • jmp 100, CS：这条指令表示跳转到代码段（CS）偏移100的位置。

2. 段表：

   • 段表列出了每个段的基址、长度和保护属性。

   • 例如，段0的基址是180K，长度是150K，保护属性是只读（R）。

3. 地址计算：

   • 运行时重定位涉及将逻辑地址转换为物理地址。

   • 逻辑地址由段号和段内偏移组成。物理地址通过将段基址与偏移相加得到。

示例计算

1. 假设DS=1，CS=0：

   • 对于mov [DS:100], %eax，如果DS=1，则物理地址为段1的基址（360K）加上偏移100，即360K+100=360100。

   • 对于jmp 100, CS，如果CS=0，则物理地址为段0的基址（180K）加上偏移100，即180K+100=180100。

2. jmp 500K的重定位：

   • 如果直接跳转到物理地址500K，需要确定500K属于哪个段，然后使用该段的基址和偏移进行跳转。

GDT和LDT的在内存使用的作用

在x86架构的操作系统中，GDT（全局描述符表）和LDT（局部描述符表）是用于内存管理和段式内存保护的关键数据结构。它们在内存使用和地址转换中扮演着重要角色。以下是对GDT和LDT作用的分析：

GDT（全局描述符表）

1. 全局性：GDT是全局的，意味着它对系统中的所有进程都是可见的。它包含了操作系统内核和所有用户进程共享的段描述符。

2. 内核空间：GDT通常包含了内核代码段和数据段的描述符，这些段描述符定义了内核的内存布局。

LDT（局部描述符表）

1. 用户空间：LDT通常包含了用户进程的代码段、数据段、堆栈段等描述符，这些描述符定义了用户空间的内存布局。

地址转换过程

1. 段选择子：在x86体系结构中，段选择子（如CS、DS、SS等）包含了段号，用于在GDT或LDT中索引对应的段描述符。

2. GDT和LDT的查找：当一个进程执行时，其段选择子中的段号首先在GDT中查找。如果该段号对应的描述符的局部描述符表（LDT）有效位被设置，则在该进程的LDT中查找对应的段描述符。

3. 基地址计算：一旦找到段描述符，CPU会使用该描述符中的基地址和段内偏移来计算物理地址。

4. 内存访问控制：段描述符中的段限长和访问权限位用于控制内存访问，确保进程不能访问不属于它的内存区域。