2011年计算机软件水平考试嵌入式系统设计师辅导笔记(8)

(4)目录的实现

A、直接法：把文件控制块的内容直接保存在目录项当中，因此每个目录项就等于某个文件名加上它的FCB。

B、间接法：目录项里面只有文件名和该文件的FCB 所在地址。

不管是那一种类型的实现方法，目录的基本功能都一样，即用户给出一个文件名，就返回相应文件的FCB。

(5)空闲空间管理方法： A、位图法。 B、链表法。 C、索引法。

（四）

1、存储器系统的层次架构

计算机系统的存储器被组织城一个金字塔的层次结构。 自上而下为：CPU 内部寄存器、芯片内部高速缓存(cache)、芯片外部高速缓存(SRAM、SDRAM、DRAM)、主存储器(FLASH、EEPROM)、外部存储器(磁盘、光盘、CF 卡、SD 卡)和远程二级存储器(分布式文件系统、WEB 服务器)，6个层次的结构。

上述设备从上而下，依次速度更慢、容量更大、访问频率更小，造价更便宜。 2、高速缓存(cache)

工作原理(参照教程126页，博客画不了图)：主要利用了程序的局部性特点。 地址映象是指把主存地址空间映象到cache 的地址空间。

地址变换是指当程序或数据已经装入到cache 后，在实际运行过程中，把主存地址如何编程cache 空间的地址。

常用的地址映象和地址变换的方式有：(教程127页)

直接映象和变换：速度快，造价低，但有局限性，不能充分利用cache 的好处。 组相联地址映象和变换：速度稍慢但是命中率高。 全相联地址映象和变换：可以任意映射。

常用的cache 替换算法：轮转法和随机替换算法。

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高速缓存的分类：

统一cache 和独立的数据/指令cache 写通cache 和写回cache

读操作分配cache 和写操作分配cache 3、存储管理单元(MMU)

MMU 在CPU 和物理内存之间进行地址转换，将地址从逻辑空间映射到物理空间，这个过程称为内存映射。

MMU 主要完成下面的工作：

A. 虚拟存储空间到物理空间的映射。 B. 存储器访问权限的控制。

C. 设置虚拟存储空间的缓冲特性。

嵌入式系统中常常采用页式存储管理。为了管理这些页引入了页表的概念。 页表是位于内存中的表，它的每一行对应虚拟存储空间的一个页，该行包含了该虚拟内存页对应的物理内存页的地址、该页的访问权限和该页的缓冲特性等。 从虚拟地址到物理地址的变换过程就是查询页表的过程。

由于页表存储在内存中的，整个查询过程需要付出很大的代价。根据程序局部性的特点，增加了一个小容量、高速度的存储部件来存放当前访问需要的地址变换条目，这个存储部件称为：地址转换后备缓冲器(TLB)。

当CPU 访问内存时，首先在TLB 中查找需要的地址变换条目，如果该条目不存在，CPU 再从内存中的页表中查询，并把相应的结果添加到TLB 中，更新它的内容。 嵌入式系统中虚拟存储空间到物理空间的映射以内存块为单位进行。即虚拟存储空间中一块连续的存储空间被映射到物理存储空间中同样大小的一块连续存储空间。

在页表和TLB 中，每一个地址变换条目实际上记录了一个虚拟存储空间的内存块的基地址与物理存储空间相对应的一个内存块的基地址之间的对应关系。

在MMU 中实现虚拟地址到物理地址的映射是通过两级页表来实现的。 禁止MMU 时，所有物理地址和虚拟地址相等，即使用平板存储模式。 4、内存保护

操作系统通常利用MMU 来实现操作系统内核与应用程序之间的隔离，以及应用程序与应用程序之间的隔离。

内存保护包含两个方面的内容：

A. 防止地址越界，每个应用程序都有自己独立的地址空间。 B. 防止越权操作，每个应用程序都有自己的访问权限。 5、实模式与保护模式

在嵌入式系统中，常见的存储管理方案可以分为两大类：实模式和保护模式。 实模式：内存的平面使用模式。特点有：

A. 不划分“系统空间”与“用户空间”，无须进行地址映射。 B. 操作系统与应用程序之间不再有物理的边界。

C. 系统中的“任务”或“进程”，实际上全是内核线程。 在实模式下，内存布局可以分为5个段：

A. 代码段：包含操作系统和应用程序的所有代码。 B. 数据段：所有带有初始值的全局变量。 C. BSS 段：所有未带初始值的全局变量。 D. 堆空间：动态分配的内存空间。

E. 栈空间：保存上下文以及函数调用时的局部变量和形参。

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在实模式存储管理方案下，主要的工作在于堆空间的管理，即如何来管理空闲的堆空间、如何来分配内存、如何来回收内存等等。

保护模式：处理器中必须有MMU 硬件并启用。特点有： A. 系统内核和用户程序都有各自独立的地址空间。

B. 每个应用程序只能访问自己的地址空间，不能去破坏操作系统和其他应用程序的代码和数据。

6、分区存储管理

为了实现多道程序系统而采用的最简单的内存管理。

基本思路：把整个内存划分为两大区域，即系统区和用户区，然后再把用户区划分为若干个分区，每个任务占有其中的一个分区。这样，在内存当中就同时保留多个任务，让他们共享整个用户区，从而实现多个任务的并发运行。

分区存储管理又可以分为两类：固定分区和可变分区。

固定分区：各个用户分区的个数、位置和大小一旦确定后，就固定不变，不能再修改。 优点：易于实现，系统开销较小。

缺点：内存利用率不高，分区总数固定。

可变分区：动态创建，在装入一个程序时，系统将根据它的需求和内存空间的使用情况来决定是否分配。

优点：动态变化，非常灵活。 缺点：可能存在外碎片。

在实现可变存储管理技术的时候，需要考虑三个方面的问题： A. 内存管理的数据结构 B. 内存的分配算法 C. 内存的回收算法 7、地址映射

地址映射也叫地址重定位。

逻辑地址和物理地址是完全不同的，不能用逻辑地址来直接访问内存单元。

为了保证CPU 在执行指令的时候，可以正确地访问内存单元，需要将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址。这个过程称为：地址映射。 地址映射由存储管理单元MMU 来完成。

地址映射主要有两种方式：静态地址映射和动态地址映射。

静态地址映射：当用户程序被装入内存时，直接对指令代码进行修改，一次性地实现逻辑地址到物理地址的转换。

动态地址映射：当用户程序被装入内存时，不对指令代码做任何修改，而是在程序的运行过程中，当它需要访问内存单元的时候，再来进行地址转换。 在具体实现时，这项转换工作一般是由硬件的地址映射机制来完成的。通常设置一个基地址寄存器，

或者叫重定位寄存器。当一个任务被调度运行时，就把它所在分区的起始地址装入到整个寄存器中。然后，在程序运行的过程中，当需要访问某个内存单元时，硬件就会自动地将其中的逻辑地址加上基地址寄存器中的内容，从而得到实际的物理地址，并且按照这个物理地址区执行。

这个基地址寄存器位于MMU 的内部，整个地址映射过程是自动运行的。从理论上说，每访问一次内存都要进行一次地址映射。 8、页式存储管理(重点)

基本思路：把物理内存划分为许多固定大小的内存块，称为物理页面;把逻辑地址空间也划

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