在前面我们学习了进程，进程其实就是CPU的抽象，正因为有了进程，操作系统才能更好的支持多道程序运行。然而进程的运行又缺少不了内存的支持，既然操作系统都支持多道程序运行，当然也需要支持多个进程的内存同时存在，这一篇我们就来好好研究研究，内存管理。
文章目录
- 1.3 总结
1.1 内存认识
1.1.1 内存硬件认识
如果我们电脑太卡的话，一般都会觉得是内存不够了，然后就想着扩展一下内存，然后去某宝某东上够买。下面这图就是内存条的样子，大小有8GB，买回来插入到电脑中就可以使用了（笔记本和台式内存条不通用，并且需要注意内存条工作电压）。
1.1.2 内存软件认识
就是为了找这个图，下载了好多芯片手册，有stm32mp1，imx6ULL，s5PV210，intel的芯片手册，都浏览了一遍，发现都不满意，最后放弃了，说百度看看运气，结果运气就很好，这个图就很好的描述了我想要的，哈哈哈。
上一节买的内存条就是这个图的DDR部分，然后左边的框是表示SOC，CPU通过三级cache才能访问到内存，关于Cache等以后学习了计算机组成原理再描述，现在可以当做CPU可以直接操作内存。
在操作系统中会把内存看一个很大的字节数组，比如上面的内存条有8GB，操作系统就会认为是一个8GB的数组，并且每一个地址都有自己的地址。
写了一个测试程序，来看看内存的地址：
int main(int argc, char ** argv)
{
char a[10] = {0};
for(int i=0; i<20; i++)
{
a[i] = i;
printf("a[%d] = %d addr = %p\n", i, a[i], &a[i]);
}
return 0;
}
char类型是一个字节，我申请了10个字节，但是在赋值的时候，赋值了20个，理论上是越界了，但是因为内存是连续的一个字节数组，所以是可以这样操作的，但是正常代码中，不能这样写，这只是测试代码。我们来看看运行后的结果：
root@ubuntu:~/knowledge_systeam/4.os/3.Memory/1.principle/01# ./test
a[0] = 0 addr = 0x7fffc552ee90
a[1] = 1 addr = 0x7fffc552ee91
a[2] = 2 addr = 0x7fffc552ee92
a[3] = 3 addr = 0x7fffc552ee93
a[4] = 4 addr = 0x7fffc552ee94
a[5] = 5 addr = 0x7fffc552ee95
a[6] = 6 addr = 0x7fffc552ee96
a[7] = 7 addr = 0x7fffc552ee97
a[8] = 8 addr = 0x7fffc552ee98
a[9] = 9 addr = 0x7fffc552ee99
a[10] = 10 addr = 0x7fffc552ee9a
a[11] = 11 addr = 0x7fffc552ee9b
a[12] = 12 addr = 0x7fffc552ee9c
a[13] = 13 addr = 0x7fffc552ee9d
a[14] = 14 addr = 0x7fffc552ee9e
a[15] = 15 addr = 0x7fffc552ee9f
a[16] = 16 addr = 0x7fffc552eea0
a[17] = 17 addr = 0x7fffc552eea1
a[18] = 18 addr = 0x7fffc552eea2
a[19] = 19 addr = 0x7fffc552eea3
看到的地址都是连续的吧，为啥地址都是这么大呢？我们后面再介绍，如果有看到我前面的编译连接的文章的话，应该也能懂的。
1.1.3 指令执行
一个典型的指令执行周期，首先从内存中读取指令。接着，该指令会被解码，也可能需要从内存中读取操作数。在指令对操作数执行后，它的结果可能存回内存。
想了半天才想到一个例子，也就是我们平时说的i++是不是原子操作。
我们来看看代码：
char gg = 11;
int main(int argc, char ** argv)
{
gg++;
//printf("gg = %d\n", gg);
return 0;
}
编译之后，我们来看反汇编代码：
00000000004004d6 <main>:
4004d6: 55 push %rbp
4004d7: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
4004da: 89 7d fc mov %edi,-0x4(%rbp)
4004dd: 48 89 75 f0 mov %rsi,-0x10(%rbp)
# 0x200b48 是相对地址，这个后面会介绍
# 第一步：从地址为601030取出数据，存到寄存器%eax寄存器中
4004e1: 0f b6 05 48 0b 20 00 movzbl 0x200b48(%rip),%eax # 601030 <gg>
# 第二步：在寄存器中进行++操作
4004e8: 83 c0 01 add $0x1,%eax
# 第三步：再从累加器%al中，把结果写入到601030这个地址中
4004eb: 88 05 3f 0b 20 00 mov %al,0x200b3f(%rip) # 601030 <gg>
4004f1: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
4004f6: 5d pop %rbp
4004f7: c3 retq
4004f8: 0f 1f 84 00 00 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)
当代码要执行到gg++;的时候，其中的PC寄存器指向0x4004e1这个内存地址。
0x4004e1内存地址中的值为：0f b6 05 48 0b 20 00。
CPU会解析0f b6 05这个指令，发现这个指令是movzbl，然后在把后面的48 0b 20 00的值，当做地址，去想对应的地址中，取到0x601030这个地址的值，存储到%eax寄存器中。
后面的几步也是这么操作的。
1.2 无存储器抽象
最简单的存储器抽象就是根本没有抽象，早期的大型计算机（20世纪60年代）、小型计算机（20世纪70年代）和个人计算机（20世纪80年代）都没有存储器抽象，每个程序都直接访问物理内存。
比如我们写一个指令：
MOV REGISTER1, 1000
这里的1000就是物理地址，计算机会把物理地址为1000的值移到REGISTER1中。
如果多个程序运行的话，由于没有内存管理，所以其他程序也可能会在1000的物理地址中修改值，这样会操作冲突。
1.2.1 内存布局
即使在无存储器抽象的情况下，也是存在一些可行的选项的。
图a中，操作系统位于RAM（随机访问存储器）底部。以前被用在大型机和小型计算机上，现在很少使用了。
图b中，操作系统位于内存顶端的ROM（只读存储器）中。用在一些掌上电脑和嵌入式系统中，之前玩过的单片机就是这样的。
图c中，设备驱动程序位于内存顶端的ROM中，而操作系统的其他部分则位于下面的RAM的底部。应用在早期个人计算机中（DOC计算机），在ROM中的系统部分称为BIOS（Basic Input Output System,基本输入输出系统）。
图a和图c的缺点是用户程序出现的错误可能摧毁操作系统，引发灾难性后果。
在没有存储器抽象的系统中是否可以实现并行操作？？
答案是可以的，我们可以用多线程来编程，把整个操作系统当做一个进程，在进程中创建多个线程，多个线程共享一个进程的内存，这样完全是可以的，比如单片机中的ucos系统，rtthread系统，都是在一块内存中，实现多任务编程（可以理解成多线程编程）。
那在无存储器抽象中，是否也能支持多个进程运行呢？继续看下面介绍。
1.2.2 运行多程序
即使没有存储器抽象，同时运行多个程序也是可能的。
- 交换
操作系统需要在磁盘中保存多个程序内存的代码（有点像swap），当哪个程序运行的时候，把这个程序从磁盘中读取到内存，把上一个运行程序的内存保存到磁盘中，主要保证同一个时刻内存只有一个程序就可以了。 - 分块
如果不想做这种交换，那还有一种方式：分块。
IBM 360早期模型是这样解决的：内存被划分为2KB的快，每个快被分配一个4位保护键（我也不知道为啥是4位），保护键存储在CPU特殊寄存器中。PSW(program Status Word,程序状态字)中存有一个4位码，当一个运行程序如果访问保护键与其PSW码不同的时候，cpu硬件会捕获到这一事件，从而防止这种事情发生。（我理解的4位保护键，是因为最大运行16个不同的程序？？？）
方案2其实是有缺陷的，因为每个程序都是独立编译，造成每个内存的地址都是从0开始，如果都分别装入内存会出现程序崩溃，如图：
图中灰色和蓝色表示两个程序，分别装载在不同内存中，相互不影响，当程序执行到0地址的时候，发现是JMP 24，这时候CPU就跳到物理地址为24上，这一切正常。当CPU运行第二个程序的时候，在16384的内存中，是一个JMP 28的地址，但是物理地址28是在程序1中，所以这样运行会导致程序崩溃。
这里关键问题是，两个程序都引用了物理地址，从而导致的冲突，要解决也不难，就是两个程序的地址都需要分开，不能混用。IBM 360使用了一套静态重定位的方式解决。
原理是：当一个程序被装载到地址16384的时候，常熟16384就会加载每一个程序的地址上，把地址全部重定位一遍，这样就能保证程序2访问的内存是在16284之后了。但是这种情况也是又缺点的，就是加载的速度比较慢，因为每次加载都需要看看需不需要重定位，如果要还用重定位。
1.3 总结
这一篇就简单介绍了内存认识和在无存储器抽象的时代，内存是怎么工作了，当然也包含现在的简单的单片机系统，不过现在的单片机系统不需要做多进程，也不需要重新装载程序，只需要跑之前烧录好的程序即可。
