2-4小时突击操作系统(3)
本节内容：地址转换、分段、空闲空间管理
地址转换
受限直接访问LDE：让程序运行的大部分指令直接访问硬件，只在一些关键点（如进程发起系统调用或发生时钟中断）由操作系统介入，来保持对硬件的控制。
地址转换：硬件对每次内存访问进行处理（即指令获取、数据读取或写入），将指令中的虚拟地址转换为数据实际存储的物理地址。
动态重定位：每个cpu需要两个硬件寄存器：基址base寄存器和界限bound寄存器，这组基址和界限寄存器，让我们能够将地址空间放在物理内存的任何位置，同时又能确保进程只能访问自己的地址空间。统称为内存管理单元MMU
128: movl 0x0(%ebx), %eax
程序计数器(PC)首先被设置为128。当硬件需要获取这条指令时，它先将这个值加上基址寄存器的32KB(32768)，得到实际的物理地址32896，然后硬件从这个物理地址获取指令。
界限寄存器提供了访问保护，在上面的例子中，界限寄存器被置为16KB。如果进程需要访问超过这个界限或者为负数的虚拟地址，CPU将出发异常。
虚拟地址 |
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物理地址 |
0 |
→ |
16KB |
1KB |
→ |
17KB |
3000 |
→ |
19384 |
4000 |
→ |
错误（越界） |
操作系统问题：
第一，在进程创建时，操作系统必须采取行动，为进程的地址空间找到内存空间。
第二，在进程终止时（正常退出，或因行为不端被强制终止），操作系统也必须做一些工作，回收它的所有内存，给其他进程或者操作系统使用。
第三，在切换进程时，操作系统必须保存和恢复基址寄存器和界限寄存器。
第四，操作系统必须提供异常处理程序，或要一些调用的函数。
操作系统@启动 |
硬件 |
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初始化陷阱表 |
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记住一下地址： 系统调用处理程序 时钟处理程序 非法内存处理程序 非常指令处理程序 |
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开始中断时钟 |
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开始时钟，x ms后中断 |
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初始化进程表 初始化空闲列表 |
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操作系统@运行 |
硬件 |
程序（用户模式） |
为了启动进程A： 在进程表中分配条目 为进程分配内存 设置基址/界限寄存器 从陷阱中返回（进入A） |
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恢复A的寄存器 转向用户模式 跳到A（最初）的程序计数器 |
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进程A运行 获取指令 |
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转换虚拟地址并执行获取 |
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执行指令 |
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如果显示加载/保存 确保地址不越界 转换虚拟地址并执行 加载/保存 |
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…… |
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时钟中断 转向内核模式 跳到中断处理程序 |
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处理陷阱 调用switch例程 将寄存器A保存到进程结构A（包括基址/界限） 从进程结构B恢复寄存器B（包括基址/界限） 从陷阱返回（进入B） |
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恢复B的寄存器 转向用户模式 跳到B的程序计数器 |
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进程B运行 执行错误的加载 |
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加载越界 转向内核模式 跳到陷阱处理程序 |
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处理本期报告 决定终止进程B 回收B的内存 移除B在进程表中的条目 |
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分段
分段：在MMU中引入不止一个基址和界限寄存器对，而是给地址空间内的每个逻辑段一对。在典型的地址空间里有3个逻辑不同的段：代码、栈和堆，因此
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