嵌入式基礎(chǔ)知識-存儲管理

上篇介紹了存儲器的相關(guān)知識，偏重的是硬件結(jié)構(gòu)，本篇介紹存儲管理的相關(guān)知識，偏重的是軟件管理。

1 存儲管理概念

操作系統(tǒng)，包括嵌入式系統(tǒng)，通常利用存儲管理單元MMU（Memory Management Unit）來提供內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用程序，應(yīng)用程序與應(yīng)用程序之間的隔離。

內(nèi)存保護(hù)包括兩個方面：

防止地址越界：對于多個應(yīng)用程序，每個應(yīng)用程序都有自己獨立的地址空間。

防止操作越界：對于多個應(yīng)用程序共享的內(nèi)存區(qū)域，每個應(yīng)用程序都有自己的訪問權(quán)限。

存儲管理的方式，通常可以分為一下幾類：分區(qū)存儲，頁式存儲，段式存儲

2 分區(qū)存儲

分區(qū)存儲又可分為兩類：

固定分區(qū)存儲：分區(qū)大小是固定的可變分區(qū)存儲：分區(qū)大小是可變的

2.1 固定分區(qū)存儲

固定分區(qū)，是指分區(qū)的個數(shù)、位置、大小一旦確定后，就不再變化了。另外，分區(qū)的大小可以是相等的，也可以是不相等的。

對于新任務(wù)到來后的內(nèi)存分配原則，有兩種：

多個輸入隊列：對于每一個用戶分區(qū)，都有一個相應(yīng)的輸入隊列。當(dāng)一個新任務(wù)到來時，就把它加入到對應(yīng)的隊列中，要求這個隊列對應(yīng)的分區(qū)，是能夠裝得下該任務(wù)的最小分區(qū)。單個輸入隊列：所有的用戶分區(qū)只設(shè)置一個輸入隊列。當(dāng)一個新任務(wù)到來時，就把它加入到對應(yīng)的隊列中，當(dāng)某個分區(qū)空閑時，就從隊列中選擇合適的任務(wù)去占用這個分區(qū)，在任務(wù)選擇時，可以有兩種分配方法：
• 方式一：選擇離對首最近的且能夠裝入這個分區(qū)的任務(wù)。當(dāng)選中的是較小的任務(wù)時，則會浪費大量內(nèi)存空間。方式二：先搜索整個隊列，選擇能夠裝入這個分區(qū)的最大任務(wù)，盡可能減小空間浪費。

對于固定分區(qū)：

優(yōu)點：易于實現(xiàn)，系統(tǒng)開銷較?。臻e空間管理、內(nèi)存分配與回收算法復(fù)雜度低）缺點：內(nèi)存利用率不高，產(chǎn)生內(nèi)存碎片；分區(qū)總數(shù)固定，限制了并發(fā)程序的個數(shù)

2.2 可變分區(qū)存儲

可變分區(qū)，是指分區(qū)不是預(yù)先劃分的，而實動態(tài)創(chuàng)建的，在裝入一個程序時，系統(tǒng)根據(jù)它的需求和內(nèi)存空間的使用情況來決定是否分配。

當(dāng)一個程序開始運行，要求裝入內(nèi)存時，系統(tǒng)就會從空閑區(qū)劃出一塊進(jìn)行分配；當(dāng)程序運行完則釋放存儲區(qū)域，變?yōu)榭臻e區(qū)。

在具體實現(xiàn)可變分區(qū)管理時，需考慮三個方面問題：

• 內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)會維護(hù)一個分區(qū)鏈表，記錄每個內(nèi)存分區(qū)的情況（分配狀態(tài)、起始地址、長度等）內(nèi)存的分配算法：當(dāng)新任務(wù)到來時，需決策分配到哪個空閑分區(qū)，通常有4種分配法 ：
  • 最先匹配法：從鏈表頭，按順序找到第一個能裝入新任務(wù)的空閑分區(qū)。接著把該空閑分區(qū)中按照任務(wù)大小分割，剩余的部分仍是一個空閑分區(qū)，將任務(wù)裝入，并更新分區(qū)鏈表下次匹配法：與最優(yōu)匹配法類似，區(qū)別是每次分配后記錄位置，下次再分區(qū)時從此位置開始查找，而不是從固定的鏈表頭開始查找最佳匹配法：將新任務(wù)狀態(tài)與其大小最接近的空閑分區(qū)中。這種方法最大的缺點是產(chǎn)生的空閑分區(qū)可能很小而無法使用最壞匹配法：每次都選用最大的分區(qū)進(jìn)行分配，避免出現(xiàn)不可用的極小分區(qū)，但較大的空閑分區(qū)也不被保留

內(nèi)存的回收算法：當(dāng)任務(wù)運行結(jié)束釋放內(nèi)存時，若有相鄰的空閑分區(qū)，則需要合并為一個大的空閑分區(qū)，并更新分區(qū)鏈表

對于內(nèi)存的分配算法，可以看下如下實例：某計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存大小128k，采用可變分區(qū)分配方式進(jìn)行內(nèi)存分配，當(dāng)前系統(tǒng)的內(nèi)存分塊情況如下圖左圖，現(xiàn)有一個作業(yè)4要分配9k的內(nèi)存，這這種分配算法的分區(qū)情況如下圖右邊4個子圖所示

可變分區(qū)改善了固定分區(qū)的一些缺點，但作為分區(qū)存儲本身，仍有一些無法解決的問題：

當(dāng)進(jìn)程運行所需的內(nèi)存大于系統(tǒng)內(nèi)存時，則無法將整個進(jìn)程一起調(diào)入內(nèi)存，從而無法運行該程序

3 頁式存儲

頁式存儲，將進(jìn)程空間分配為一個個頁，同時將系統(tǒng)內(nèi)存也分配為一個個頁，例如都是4K的大小。

這樣，運行程序時，每次將需要運行的邏輯頁狀態(tài)內(nèi)存中，運行完再裝入下一個要運行的頁，這樣就解決了空間極大的進(jìn)程運行的問題。

對于邏輯頁，可以用頁號和頁內(nèi)地址表示：

頁號：與內(nèi)存中的物理塊號并不是對應(yīng)的，需要通過查詢“頁表”得到對應(yīng)的物理塊號業(yè)內(nèi)地址：或稱頁內(nèi)偏移量，與內(nèi)存中的物理偏移地址是一致的

比如上圖中，其地址長度32位，頁號占用20位，頁內(nèi)地址占用12位，則頁面總數(shù)為2^20=1024K=1M個，頁面大小為2^12=4K

對于頁表的表示，如下圖，左邊是進(jìn)程中的頁號，通過查詢頁表，可以得到右邊內(nèi)存中對應(yīng)的塊號。

通過頁表的方式，可以實現(xiàn)從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。

邏輯地址：頁號+業(yè)內(nèi)偏移物理地址：物理塊號+頁內(nèi)偏移地址

兩種地址的頁內(nèi)偏移是一樣的，所以地址轉(zhuǎn)換，只需要先計算出頁號與物理塊號的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即可進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。

頁式存儲的地址轉(zhuǎn)換，可看如下實例：

題目：頁面大小L為1k字節(jié)，頁號2對應(yīng)的內(nèi)存塊號b=8，將邏輯地址A=2500轉(zhuǎn)換為物理地址E

由題目可得如下分析：

頁面大小1k，則頁內(nèi)地址占用10位邏輯地址2500轉(zhuǎn)為16進(jìn)制為0x09C4，取低10位為業(yè)內(nèi)地址，即0x01C4，頁號為0x02由題目知頁號為0x02對應(yīng)的內(nèi)存塊號為8，對應(yīng)的16進(jìn)制為0x08，將其與業(yè)內(nèi)地址組合，可得物理地址為0x0x21C4，十進(jìn)制即為8644。

或直接使用十進(jìn)制計算：

頁號P=A/L=2500/1024=2，由題目知，其對應(yīng)的內(nèi)存塊號為8

業(yè)內(nèi)偏移w=A%L=2500%1024=452

則物理地址為:

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

頁式存儲的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：內(nèi)存利用率高，內(nèi)存碎片小，分配與管理簡單缺點：增加了系統(tǒng)的開銷，可能產(chǎn)生抖動現(xiàn)象

4 段式存儲

段式存儲與頁式存儲比較相似，區(qū)別是段式存儲不是按照固定的大小分割內(nèi)存，而是根據(jù)進(jìn)程的邏輯功能進(jìn)行空間畫法，這樣便于內(nèi)存共享，只是每段的空間大小不同。

4.1 基本原理

與頁式存儲類似，段式存儲每段的表示，由段號和段內(nèi)地址組成。

從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，則是通過段表的查詢來實現(xiàn)。

看一個實例，例如，某進(jìn)程的段表內(nèi)容如下，當(dāng)訪問段號2，段內(nèi)地址400的邏輯地址時，進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換則會出現(xiàn)越界異常

因為段號2對應(yīng)的段長只有300，而段內(nèi)地址400則超出了范圍，地址4400為非法地址

4.2 段頁式存儲

段頁式存儲，則是將段式存儲和頁式存儲結(jié)合起來使用，對進(jìn)程空間先分段，再分頁。

段頁式存儲優(yōu)缺點：

優(yōu)點：空間浪費小，便于存儲共享與存儲保護(hù)，可以動態(tài)鏈接缺點：管理的復(fù)雜度與開銷增大，需要的硬件增加，執(zhí)行速度下降

5 總結(jié)

本篇介紹了存儲管理的相關(guān)知識，包括存儲管理的分類：分區(qū)存儲、頁式存儲和段式存儲，已經(jīng)不同存儲方式的地址轉(zhuǎn)換方式與優(yōu)缺點等。