嵌入式操作系统_5.存储管理

1.存储管理 

        存储管理是嵌入式操作系统的基本功能之一。其管理的对象是主存，也称内存。它的主要功能包括分配和回收主存空间、提高主存利用率、扩充主存、对主存信息实现有效保护。存储器管理的目的就是提供一个有价值的内存抽象，其目标包括：

• 地址保护：一个程序不能访问另一个程序地址空间；
• 地址独立：程序并发的地址应与物理主存地址无关。

2.存储管理方法        

        存储管理方法的主要目的是解决多个用户使用主存的问题，其存储管理方法主要包括分区存储管理、分页存储管理、分段存储管理、段页存储管理以及虚拟存储管理等5种。 

2.1分区管理

         分区存储管理又有三种不同的方式：静态分区、可变分区、可重定位分区。

（1）静态分区

         静态分区存储管理是预先把可分配的主存储空间分割成若干个连续区域，每个区域的大小可以相同，也可以不同。为了说明各分区的分配和使用情况，存储管理需设置一张“主存分配表”。主存分配表指出各分区的起始地址和长度，表中的占用标志位用来指示该分区是否被占用了，当占用的标志位为“0”时，表示该分区尚未被作业占用。进行主存分配时总是选择那些标志为“0”的分区，当某一分区分配给一个作业后，则在占用标志栏填上占用该分区的作业名。采用静态分区存储管理，主存空间的利用率不高。

（2）可变分区

         可变分区方式是安作业的大小来划分分区。当要装入一个作业时，根据作业需要的主存量查看主存中是否有足够的空间，若有，则按需要量分割一个分区分配给该作业；若无，则令该作业等待主存空间。由于分区的大小是按作业的实际需要量来定的，且分区的个数也是随机的，所以可以克服固定分区方式中的主存空间的浪费。

        随着作业的装入、撤离，主存空间被分成许多个分区，有的分区被作业占用，而有的分区是空闲的。当一个新的作业要求装入时，必须找一个足够大的空闲区，把作业装入该区，如果找到的空闲区大于作业需要量，则作业装入后又把原来的空闲区分成两部分，一部分给作业占用了；另一部分又分成了一个较小的空闲区。当以作业结束撤离时，它归还的区域如果与其他空闲区相邻，则可合成一个较大的空闲区，以有利于大作业的装入。可变分区调度算法有：首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法。

（3）可重定位分区        

        可重定位分区也可称之为动态重定位分区方法，它是充分利用存储器管理的虚拟-物理地址动态映射关系实现存储分配的。其工作原理是作业在动态运行时装入内存的所有地址都是一种相对地址（即逻辑地址），将相对地址转换为物理地址的工作，被推迟到程序指令要真正执行时进行。为使地址的转换不会影响到指令的执行速度，必要有硬件地址变换机构的支持（如：MMU），即需在系统中增设一个重定位寄存器，用来存放程序（数据）在内存中的起始地址。 程序在执行时，真正访问的内存地址是相对地址与重定位地址寄存器中的地址相加而形成的。

2.2分页存储

        分页存储管理是将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片，称为页面或页，并为各页加以编号，从0开始，如第0页、第1页等。相应地，也把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块，称为（物理）块或页框（frame），也同样为它们加以编号，如0#块、1#块等等。在为进程分配内存时，以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻的物理块中。由于进程的最后一页经常装不满一块而形成了不可利用的碎片，称为“业内碎片”。

2.3分段存储

         在分段存储管理方式中，作业的地址空间被划分为若干个段，每个段定义了一组逻辑信息。例如，有主程序段MAIN、子程序段X、数据段D及栈段S等。每个段都有自己的名字。为了实现简单起见，通常可用一个段号来代替段名，每个段都从0开始编址，并采用一段连续的地址空间。段的长度由相应的逻辑信息组的长度决定，因而各段长度不等。整个作业的地址空间由于是分成多个段，因而是二维的，亦即，其逻辑地址由段号（段名）和段内地址所组成。

2.4段页存储

         段页式系统的基本原理，是基本分段存储管理方式和基本分页存储管理方式原理的结合，即先将用户程序分成若干个段，再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋予一个段名。

2.5虚拟存储

         当程序的存储空间要求大于实际的内存空间时，就使得程序难以运行了。虚拟存储技术就是利用实际内存空间和相对大得多的外部存储器存储空间相结合构成一个远远大于实际内存空间的虚拟存储空间，程序就运行在这个虚拟存储空间中。能够实现虚拟存储的依据是程序的局部性原理，即程序在运行过程中经常体现出运行在某个局部范围之内的特点。在时间上，经常运行相同的指令段和数据（称为时间局部性），在空间上，经常运行与某一局部存储空间的指令和数据（称为空间局部性），有些程序段不能同时运行或根本得不到运行。虚拟存储是把一个程序所需要的存储空间分成若干页或段，程序运行用到页和段就放在内存里，暂时不用就放在外存中。当用到外存中的页和段时，就把它们调到内存，反之就把它们送到外存中。装入内存中的页或段可以分散存放。