第9章 内存管理(2)
第9章-Cortex-M3异常和中断
第九章Cortex-M3异常和中断9.1Cortex-M3异常91C t M39.2NVIC与中断控制929.1.1 异常类型异常。
CM3支持为所有能打断正常执行流的事件都称为CM3支持为数众多的系统异常和外部中断。
异常是另一种形式的中断，它是由内部fault引起的，或者内核的SysTick、SVCall等。
而中断是由随机的外部事件引发的。
件引发的编号为1～15的对应系统异常；编号为16～255的对应外部中断。
除了个别异常的优先级被定死外，其它异常的优先级都是可编程的。
可编程的当前运行的异常编号，是由特殊寄存器IPSR或NVIC的中断控制状态寄存器来给出的。
断控制状态寄存器来给出的异常表异常号异常类型优先级描述0N/A N/A没有异常在运行1复位-3 (最高)复位2NMI-2 不可屏蔽中断(外部NMI 输入)3硬件fault-1各种fault情况4内存管理fault可编程内存管理fault；MPU 访问非法地址5总线fault可编程总线fault，比如预取终止6用法fault可编程由于程序fault或尝试访问协处理器导致的异常7-10保留N/A—11SVCall可编程系统服务调用12调试监视器可编程调试监视器(续)13保留N/A—14PendSV可编程可挂起系统设备申请15SysTick可编程系统时钟定时器16外部中断#0可编程外部中断17外部中断#1可编程外部中断…………255外部中断#239可编程外部中断当一个被使能的异常发生时，如果它不能够被立即执行，它将被挂起(pending)。
9.1.2 优先级定义在CM3中优先级对于异常来说很关键的它决定一个 在CM3中，优先级对于异常来说很关键的，它决定个异常是否能被屏蔽，以及在未被屏蔽的情况下何时可以响应。
应优先级的数值越小，则优先级越高。
CM3支持中断嵌套，使得高优先级异常会抢占(preempt)低优先级异常。
3个系统异常：复位、NMI以及硬fault有固定的优先级，并且它们的优先级号是负数，从而高于所有其它异常。
编译原理第九章 运行时存储空间组织
– 堆区(new, malloc)
9.5 嵌套过程语言的栈式实现
• Pascal 的过程嵌套 嵌套层次：主程序0层 ······ 采用层数计数器，每逢Proc Begin加1，遇 Proc End则减1。
• 直接外层 • 编译器需要将过程的层数记录到符号表中
2）返回函数结果：累加器、寄存器
··· a:= 3 ··· P(a); Write(a); ···
传地址 8，8 8
举例
Procedure P(x) Begin
x:=x+5; writeln(x,a); End;
传结果 8，3 8
传值 8，3 3
举例
begin
Procedure P(x,y,z) …P(a+b,a,a)
初等类型数据采用确定“字长”，数组按列存放，边界对齐。
这样，可将过程活动单元（局部数据区）直接安排在 过程目标码之后，以便运行时访问。
9.3 Fortran静态存储分配（2）
数据区
返回地址 调用程序返回地址（调用恢复地址）
寄存器保护区 保存调用程序的寄存器运行环境
形式单元 形参
简单变量 数组 临时变量
P －>S －>Q =》R －>R
Program P; var a,x…
Top
R
procedure Q(b)
SP
var i…
R
procedure R(u,v)
动
var c,d…
态
begin… R… end {R} 链
Q
begin … R… end{Q} procedure S
嵌入式系统和应用教学大纲
《嵌入式系统及应用》教学大纲课程编号：06083017 适用专业：计算机科学与技术学时数：40+16 学分：开课学期：第7学期先修课程：计算机操作系统、数据结构、计算机组成原理、高级语言程序设计执笔者：罗蕾、桂盛霖编写日期：2013一、课程性质和目标授课对象：本科课程类别：专业核心课教学目标：本课程是计算机科学与技术专业的一门专业核心课程，属必修学科专业课。
它的前续课程是计算机组成原理、数据结构、计算机操作系统、高级语言程序设计等，为学生进一步学习和实践嵌入式系统相关知识打下基础。
课程目标：本课程将理论与实践结合起来，以嵌入式硬件的核心嵌入式微处理器及嵌入式软件的核心嵌入式实时操作系统为重点，以应用为目的，从硬件、软件、系统开发过程、环境、工具及方法等方面，对嵌入式系统进行系统性的讲解，能够让学生系统性地掌握嵌入式系统的原理，具备基本的嵌入式系统软件开发能力。
配合实验课程的实践活动，加深学生对理论知识的理解和掌握，并具备实际开发的能力和经验。
二、课程内容安排和要求（一）教学内容、要求及教学方法本课程共56学时，其中：课堂讲授40学时，上机16学时。
第1章嵌入式系统导论（4学时，多媒体课件结合板书面授）1.主要内容：嵌入式系统基本概念及特点，嵌入式系统分类，嵌入式系统发展历程，嵌入式系统的应用领域及嵌入式系统的发展趋势2.应达到的要求：了解：嵌入式系统的发展历程、应用领域，以及发展趋势。
理解：嵌入式系统的分类、嵌入式系统组成掌握：嵌入式系统的相关基本概念及特点、嵌入式系统的软件分类；第2章嵌入式硬件系统（14学时，多媒体课件结合板书面授）1.主要内容：嵌入式硬件的组成、特点、与通用处理器的异同；嵌入式微处理器的分类，主流的嵌入式微处理器（ARM/MIPS/PPC/SH等），嵌入式微处理器的发展；总线：片内总线，片外并行总线，片外串行总线；存储系统：组成、主存、外存、典型电子盘；ARM处理器介绍：体系结构、编程模式、指令集、异常处理、ARM V4T架构的指令体系（数据处理指令、加载存储指令、分支指令、状态寄存器访问指令、协处理器指令、异常处理指令）、Thumb指令集、ARM汇编语言程序设计（ARM程序的框架结构、C语言程序对汇编程序的调用、ARM与C语言混合程序设计）2.应达到的要求：本章是全课重点之一，要求通过本章学习，建立起嵌入式硬件系统的概念。
操作系统课程设计内存管理
操作系统课程设计内存管理一、课程目标知识目标：1. 理解内存管理的基本概念，掌握内存分配、回收的原理及方法；2. 掌握虚拟内存的原理，了解分页、分段等内存管理技术；3. 了解操作系统中内存保护、共享、碎片处理等相关问题。
技能目标：1. 能够运用所学知识，分析并设计简单的内存管理算法；2. 能够通过编程实践，实现基本的内存分配与回收功能；3. 能够运用虚拟内存技术，解决实际问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对操作系统中内存管理知识的学习兴趣，激发学生主动探索精神；2. 培养学生的团队协作意识，学会与他人共同解决问题；3. 增强学生的信息安全意识，了解内存管理在操作系统安全中的重要性。
课程性质分析：本课程为操作系统课程设计的一部分，侧重于内存管理方面的知识。
内存管理是操作系统核心功能之一，对于提高系统性能、保障系统安全具有重要意义。
学生特点分析：学生为计算机科学与技术等相关专业的高年级本科生，具备一定的操作系统基础知识，具备一定的编程能力，但可能对内存管理的深入了解和应用尚有不足。
教学要求：1. 结合实际案例，深入浅出地讲解内存管理的基本原理和方法；2. 采用任务驱动法，引导学生通过实践，掌握内存管理技术；3. 注重培养学生的动手能力和创新能力，提高学生解决实际问题的能力。
二、教学内容1. 内存管理概述：介绍内存管理的基本概念、任务和目标；- 教材章节：第2章 内存管理概述- 内容：内存分配、回收原理，内存保护、共享机制。
2. 内存管理技术：讲解物理内存管理和虚拟内存管理技术；- 教材章节：第3章 内存管理技术- 内容：分页管理、分段管理、段页式管理，内存碎片处理。
3. 内存管理算法：分析常见的内存分配和回收算法；- 教材章节：第4章 内存管理算法- 内容：首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法等。
4. 操作系统内存管理实例分析：结合具体操作系统，分析其内存管理实现；- 教材章节：第5章 操作系统内存管理实例- 内容：Linux内存管理、Windows内存管理。
操作系统课件：ch9-虚拟内存(virtual memory)
虚拟内存的实现过程
1. 在程序装入时，不必将其全部读入到内存，而 只需将当前需要执行的部分页或段读入到内存， 就可让程序开始执行。
2. 在程序执行过程中，如果需执行的指令或访问 的数据尚未在内存（称为缺页或缺段），则由 处理器通知操作系统将相应的页或段调入到内 存，然后继续执行程序。
内存中可以放更多进程，并发度好，效率高
将需要的部分放入内存，有些用不到的部分从来不
放入内存，内存利用率高
Байду номын сангаас
如一些处理异常
程序开始执行、响应时间等更快
的代码!
虚拟内存思想既有利于系统，又有利于用户
如何实现虚拟内存!
虚拟内存
1.1 • 虚拟内存引入的原因 1.2 • 虚拟内存 1.3 • 虚拟内存的实现
•加载进程A
0
A.0
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A.1
2
A.2
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分页示例
•加载进程B
0
A.0
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B.0
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本章教学目标
• 虚拟内存引入的原因 • 虚拟内存 • 虚拟内存实现原理：调页 • 虚拟内存考虑的问题
一个游戏引起的联想…
用户眼里的内存!
4G 操作系统段
用户代码段
cs:ip 逻辑地址
用户数据段
c程序设计第4版
c程序设计第4版C程序设计第4版C语言是一种通用的、过程式的计算机程序设计语言，广泛用于系统软件与应用软件的开发。
自从1972年由丹尼斯·里奇在贝尔实验室开发以来，C语言已经成为计算机编程领域的基石之一。
随着计算机科学的发展，C语言也在不断地更新和完善，其中《C程序设计》这本书就是学习C语言的重要教材之一。
第1章：C语言概述在第4版中，C语言概述部分会对C语言的历史、特点以及它在现代编程中的地位进行介绍。
C语言以其高效性、灵活性和广泛的应用领域而著称。
本章还会简要介绍C语言的基本语法结构和编程范式。
第2章：C语言基础本章将详细介绍C语言的基本元素，包括数据类型、变量声明、运算符和表达式。
此外，还会讲解控制语句，如if语句、switch语句、循环语句（for、while、do-while）等，这些都是编写C程序时不可或缺的基础。
第3章：函数函数是C语言中实现代码复用的重要手段。
本章将介绍函数的定义、声明、调用以及参数传递机制。
同时，也会探讨递归函数的概念和应用。
第4章：数组和字符串数组是存储固定大小同类型元素的集合，而字符串实际上是字符数组的一种特殊形式。
本章将深入讲解一维数组和多维数组的使用，以及字符串处理函数的应用。
第5章：指针指针是C语言中非常强大的一个特性，它允许程序员直接操作内存地址。
本章将介绍指针的基本概念、指针与数组的关系、指针的算术运算以及函数指针等高级主题。
第6章：结构体和联合体结构体和联合体是C语言中用于创建复杂数据类型的工具。
本章将讲解如何定义和使用结构体、联合体以及枚举类型，以及它们在实际编程中的应用。
第7章：预处理器预处理器是C语言编译过程中的一个阶段，它提供了宏定义、文件包含、条件编译等功能。
本章将详细介绍预处理器的使用方法和技巧。
第8章：文件操作文件操作是程序与外部世界交互的一种方式。
本章将介绍如何在C语言中打开、读取、写入和关闭文件，以及文件指针的概念。
第9章：动态内存分配动态内存分配允许程序在运行时申请和释放内存。
计算机操作系统课后答案第9章习题解答
第9章习题解答一、填空1．MS-DOS操作系统由BOOT、IO.SYS、MSDOS.SYS以及 所组成。
2．MS-DOS的一个进程，由程序（包括代码、数据和堆栈）、程序段前缀以及环境块三部分组成。
3．MS-DOS向用户提供了两种控制作业运行的方式，一种是批处理方式，一种是命令处理方式。
4．MS-DOS存储管理规定，从地址0开始每16个字节为一个“节”，它是进行存储分配的单位。
5．MS-DOS在每个内存分区的前面都开辟一个16个字节的区域，在它里面存放该分区的尺寸和使用信息。
这个区域被称为是一个内存分区所对应的内存控制块。
6．MS-DOS有4个存储区域，它们是：常规内存区、上位内存区、高端内存区和扩充内存区。
7．“簇”是MS-DOS进行磁盘存储空间分配的单位，它所含扇区数必须是2的整数次方。
8．当一个目录表里仅包含“.”和“..”时，意味该目录表为空。
9．在MS-DOS里，用文件名打开文件，随后就通过句柄来访问该文件了。
10．在MS-DOS里，把字符设备视为设备文件。
二、选择1．下面对DOS的说法中，B 是正确的。
A．内、外部命令都常驻内存B．内部命令常驻内存，外部命令非常驻内存C．内、外部命令都非常驻内存D．内部命令非常驻内存，外部命令常驻内存2．DOS进程的程序，在内存里 D 存放在一起。
A．总是和程序段前缀以及环境块B．和谁都不C．总是和进程的环境块D．总是和程序段前缀3．MS-DOS启动时能够自动执行的批处理文件名是： C 。
A．CONFIG.SYS B．MSDOS.SYSC．AUTOEXEC.BAT D．4．下面所列的内存分配算法， D 不是MS-DOS采用的。
A．最佳适应法B．最先适应法C．最后适应法D．最坏适应法5．在MS-DOS里，从1024K到1088K的存储区域被称为 D 区。
A．上位内存B．扩展内存C．扩充内存D．高端内存6．MS-DOS的存储管理是对A的管理。
A．常规内存B．常规内存和上位内存C．常规内存和扩展内存D．常规内存和扩充内存7．在下面给出的MS-DOS常用扩展名中，B 不表示一个可执行文件。
计算机组成原理习题答案9
第9章习题(有关虚拟存储器的题目)参考答案3. 下述有关存储器的描述中，正确的是( B、D )A. 多级存储体系由Cache、主存和虚拟存储器构成B. 存储保护的目的是：在多用户环境中，既要防止一个用户程序出错而破坏系统软件或其它用户程序，又要防止用户访问不是分配给他的主存区，以达到数据安全与保密的要求。
C. 在虚拟存储器中，外存和主存以相同的方式工作，因此允许程序员用比主存空间大得多的外存空间编程。
D. Cache和虚拟存储器这两种存储器管理策略都利用了程序的局部性原理。
5．虚拟段页式存储管理方案的特性为( D )A.空间浪费大、存储共享不易、存储保护容易、不能动态连接。
B.空间浪费小、存储共享容易、存储保护不易、不能动态连接。
C.空间浪费大、存储共享不易、存储保护容易、能动态连接。
D.空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态连接。
6. 某虚拟存储器采用页式存储管理，使用LRU页面替换算法，若每次访问在一个时间单位内完成，页面访问序列如下：1、8、1、7、8、2、7、2、1、8、3、8、2、1、3、1、7、1、3、7。
已知主存只允许放4个页面，初始状态时4个页面是全空的，则页面失效次数是___6____。
解答过程：LRU算法的思想：每页设置一个计数器，每次命中一页，该页对应的计数器清零，其他各页的计数器加1；需要替换时，将计数值最大的页换出，所以，对应的访问过程及相应的计数器的内容、替换结果如下：访问序列1 8 1 7 82 7 2 1 83 8 2 1 3 1 7 1 3 7调入的页号a 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1b 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 7 7 7 7c 7 7 7 7 7 7 7 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3d 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2各计数器的值a 0 1 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 0 1 0 1 0 1 2b 0 1 2 0 1 2 3 4 0 1 0 1 2 3 4 0 1 2 0c 0 1 2 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1d 0 1 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 5 6 7注：红色标注的页是未命中的访问——共6次7. 主存容量为4MB，虚存容量为1GB，则虚拟地址和物理地址各为多少位?如页面大小为4KB，则页表长度是多少?解：主存容量为4MB，物理地址22位虚存容量为1GB，虚拟地址30位页表长度，即页面数=1GB/ 4KB=218=256K8. 设某系统采用页式虚拟存储管理，页表存放在内存中。
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计算机操作系统课程组
安徽科技学院 设计人:赵艳红
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9.4.3 保护
分页环境下，内存保护是通过与每个帧相关联的保 护位来实现的。 保护位的类型：用于指示页可读、可写、可读/写、 有效/无效等。
有效/无效位：有效时，表示该值相关的页在进程 的逻辑地址空间内，是合法（或有效）的页。无效 时，表示该页不在进程的逻辑地址空间内，进程访 问此页时会产生非法操作即无效地址引用。
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9.4.2 硬件支持
? 操作系统如何保存页表？
有的操作系统把页表存储在寄存器中。如DEC PDP-11。
大部分操作系统都把页表存储在内存中。这时将 页表基寄存器(PTBR，其作用与如下图中的控制 寄存器相同)指向页表。PTBR的值保存在进程的 PCB中。
14ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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P=INT[A/L], D= A MOD L
9 9
9
解：(1)为了找出逻辑地址100对应的物理地址，硬件地址变换机 构首先将100转换为页号p与页偏移d组成的逻辑地址形式。即 p=0，d=100。从页表中可知第0页与2号帧相对应，将帧号2与 页偏移d=100相连，得到物理内存地址：2*1024+100=2148。
TLB中保存的条目个数一般在64~1024。80386
中:TLB中为32项。
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当CPU产生逻辑地址后，其页号提交给TLB。如果找到页号也 就找到了帧号，则不需要再查找页表了。如果在TLB中找不 到页号，则需要访问页表，当得到帧号后就可以访问内存。 同时将页号与帧号增加到TLB中，供下次访问此页时TLB使用。 如果TLB条目已满，则操作系统会选择一个条目将它移出TLB。
例如：如果页大小：2048Byte，进程大小： 72766Byte，则进程需要35个页和1086Byte。 该进程会得到36个帧。因此会产生20481086=962Byte的内部碎片。
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当系统需要执行一个进程时，它将检查进程所需要的页数。 因此，如果进程需要n个页，那么内存中至少应有n个空闲帧。 如果有，则可以分配给新进程。 进程的第一页装入一个空闲帧中，帧号放入进程的页表中。 下一页分配给另一个空闲帧，其帧号也放入进程的页表中， 等等。页表的各项随之被填充。
在请求分页式虚拟存储管理方案中只需要把当前
运行需要的页调入内存中。
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页表
作用：表示页号与帧号的一一对应关系
组成：页号+帧号
大部分操作系统都把页表存储在内存中。 页表的大小由进程的长度决定。
例如，对于一个每页长1 K，大小为20 K的进程来说，如 果一个内存单元存放一个页表项，则只要分配给该页表 20个存储单元即可。
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示例
? 假设某OS中，页和帧的大小都为1KB，有一个进
程其页表如下图所示，此进程有一条指令为LOAD 1，2500，此指令的虚地址为100。 问题： (1)虚地址100对应的物理地址。 (2) 指令中表示操作数的虚地址2500对应的物理地 址? 给定逻辑地址A，页大小为L，
则页号P和页偏移地址D分别为：
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9.4.5 共享页
共享代码
如果代码是可重入的，那么就可以供多个进程共 享。例如编辑器、编译器等。
私有数据
每个进程都有自己的数据页。
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示例
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分页管理的缺点
要求进程在执行前全部装入内存，如果可用 页面数小于用户程序要求时，该程序只好等 待。 进程的大小仍受内存可用页面数的限制。 解决方法：请求分页管理
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示例
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9.4.4 页表结构
Intel 80386中的地址空 间是2^32，页大小：4KB (2^12)，可表示的页个 数是2^32/2^12 个。也 即一个进程的页表中条 目个数最多可以是： 2^32/2^12 个，如果每 个条目大小为4B，则每 个这个页表的大小是4M。 页表还必须在内存中连 续存放。如何使页表可 以不必连续存放在内存 中？
分页示例：页长4Byte，物理内存：32Byte。
页码
帧号
0
0 1 2
1
2 3
逻辑内存 页表
3
4
5
6
逻辑地址0对应的物理地址 是多少？
物理内存
逻辑地址0对应 的页码为0，页 偏移为0，根据 页表，页码0对 应的帧号是5。 所以逻辑地址0 对应的物理地址 是5*4+0=20即帧 号＊页长＋页偏 移
p=INT[100/1024] d= 100 MOD 1024 2＊1024＋100＝2148
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示例
(2) 指令中表示操作数的虚地址2500对应的物理地址?
答案：8644。
课后请计算答案为什么是8644。
11
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分页技术不会产生外部碎片：每个帧都可能 会被使用。 分页技术会产生内部碎片：因为分配单位是 帧。如果一个进程要求的内存并不是帧的整 数倍，那么最后一个帧就可能用不完。
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Intel 80386解决这个问题的方法：两层分页 算法，即将页表再分页保存。这时，逻辑地 址的结构如图所示。 • P1是外部页表的索引，P2是内部页表的索 引。
22
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Intel 80386 中两层分页的地址转换 校重点建设课程
页表
又称为页目 录表
23
23
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• • 帧大小：512Byte~64KByte，80386中：4KByte. 帧号
把进程的逻辑内存也分割为与帧大小一样的块，称 之为页，也称为逻辑页。 备份存储器（如硬盘、SD卡等）也分割为与帧大 小一样的块。
3 3
3
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9.4.1 基本方法
当一个程序从硬盘调入到内存时，要把整个 程序即程序的所有页都调入到内存。
操作系统可以通过保护位设置该页有效/无效。
18 18
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示例
某计算机系统其物理地址空间为14位（0~16383),
有一个程序其逻辑地址空间为0~10468。若页大小：
2KB，那么得到如下图所示的页表。
有效的地址范围：0~12287。12288~16383对于此程
序来说，都是无效地址。
每个进程至少拥有一个页表。
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逻辑内存和物理内存的分页模型
6
6
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页到帧的地址转换是通过硬件 完成的，如右图所示。 CPU产生的逻辑地址分为两部 分： 页号(p):是页表的索引值， 页表中包含每页对应的帧号 页偏移(d):它与帧号组合形 成物理地址。 在80386中，地址为32位。 • 12位表示页偏移：页长 为4 KB • 20位表示页号： 页数 1024K个 • 逻辑地址结构如下图所 示：
把进程的逻辑内存分割成不同的块。 把物理内存也分割为不同的块。
分割的方法不一样，会导致以下不同的内存管理方 案：分段、分页、带有分页的分段。 • 内存管理方案是通过硬件与操作系统相互配合实现 的。
2 2
2
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9.4 分页
9.4.1 基本方法
把物理内存分割成大小相等且大小固定的块，称之 为帧(frame)，也称为物理页。
9.4.2 硬件支持
15
15
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说明
(1) 地址变换过程：CPU中的地址变换机构自动完成。
(2)页表：在内存中，取一个数据或指令至少要访问内
存两次以上：获取物理地址、取数据或指令。 为了提高查找速度：把最近使用过的页表项放进小 型的高速缓冲存储器中，称之为翻译后备缓冲器 (translation look-aside buffer,TLB)。
第9章 内存管理（2）
教师：计算机操作系统课程组 E-mail: zhao.yanhong@ （赵艳红） wxzx@（沈峰）
安徽科技学院 设计人:赵艳红
校重点建设课程
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引言
? 为了消除外部碎片从而提高内存使用效率，能否把
进程在内存中连续存储这种情况改变，使之非连续 存储？