第97篇

极客时间《许式伟的架构课》课程笔记。

内存的地位非常特殊，它是唯一的 CPU 内置支持，且和程序员直接会打交道的基础资源。

计算机运行全过程

软件运行机制及内存管理

1. BIOS 程序在主板的 ROM 上，是因为不同历史时期的计算机输入输出设备很不一样，通过调整 BIOS 程序就可以应对，而不需要修改 CPU
2. 引导区引导程序，则是程序从内置存储（ROM）转到外置存储的边界。引导区引导程序很短，BIOS 只需要把它加载到内存执行就可以把系统的控制权转到外置存储
3. 引导区引导程序不固化在 BIOS 中，而是写在外置存储的引导区，是为了避免 BIOS 程序需要经常性修改
4. OS 引导程序是外置存储接手计算机控制权的真正开始。操作系统从这里开始干活，最终所有的初始化工作完成后，操作系统会把执行权交给 OS Shell 程序
5. OS Shell 程序负责操作系统与用户的交互。计算机的交互界面是字符界面，OS Shell 程序是一个命令行程序。DOS 中叫 command.com，而在 Linux 下则叫 sh 或者 bash 之类。这里的 sh 就是 shell

启动一个软件的方式就是在 Shell 程序中输入一个命令行，Shell 负责解释命令行理解用户的意图

内存管理的两个问题

• 如何分配内存（给运行中的软件，避免它们发生资源争抢）
• 如何运行外置存储（比如硬盘）上的软件？

实模式下的内存管理

• CPU 的实模式和保护模式。这两个模式 CPU 对内存的操作方式完全不同
• 在实模式下，CPU 直接通过物理地址访问内存。在保护模式下，CPU 通过一个地址映射表把虚拟的内存地址转为物理的内存地址，然后再去读取数据
• 工作在实模式下的操作系统就是实模式操作系统；工作在保护模式下的操作系统就是保护模式操作系统
• 在实模式操作系统下，所有软件包括操作系统本身，都在同一个物理地址空间下。在 CPU 看来，它们是同一个程序

实模式操作系统

• 在实模式操作系统下，所有软件包括操作系统本身，都在同一个物理地址空间下。在 CPU 看来，它们是同一个程序
• 操作系统如何分配内存方法一：把操作系统内存管理相关的函数地址，放到一个大家公认的地方（比如 0x10000 处），每个软件要想申请内存就到这个地方取得内存管理函数并调用它。

2. 把内存管理功能设计为一个中断请求。所谓中断，是 CPU 响应硬件设备事件的一个机制。当某个输入输出设备发生了一件需要 CPU 来处理的事情，它就会触发一个中断。

实模式的问题

• 安全性。操作系统以及所有软件都运行在一起，相互之间可以随意修改对方的数据甚至程序指令，这样搞破坏就非常容易。
• 支持的软件复杂性低，同时可运行的软件数量少。

保护模式下的内存管理

• 保护模式下，内存访问不再是直接通过物理内存，而是基于虚拟内存

• 虚拟内存模式下，整个内存空间被分成很多个连续的内存页。每个内存页大小是固定的，比如 64K

• 通过虚拟内存的机制，操作系统并不需要一上来就把整个软件装进内存中，而是通过缺页中断按需加载对应的程序代码片段

• 多个软件同时运行的问题也解决了，内存不够用的时候，就把最久没有用过的内存页淘汰掉，腾出物理内存出来

• 运行软件的问题和内存分配的问题都已经解决，不需要任何额外的机制

• 通过引入虚拟内存及其缺页机制，CPU 很好地解决了操作系统和软件的配合关系

• 在保护模式下，计算机的基础架构体系和操作系统共同在努力做的一件事情，就是让每个软件“感觉”自己在独占整个计算机的资源

• 独立的虚拟地址空间很好地伪装了这一点：看起来我独自在享用所有内存资源

• 在实模式下，所有进程都在同在物理内存的地址空间里，它们相互可以访问对方的数据，修改甚至破坏对方的数据，进而导致其他进程（包括操作系统本身的进程）崩溃。

• 内存是进程运行的基础资源，保持进程基础资源的独立性，是软件治理的最基础的要求。这也是保护模式之所以叫“保护”模式的原因。