【ARM學(xué)習(xí)筆記】五、操作系統(tǒng)Operation System和內(nèi)存管理單元MMU

一、操作系統(tǒng)Operation System

第一臺(tái)計(jì)算機(jī)并沒(méi)有操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)工作采用手工操作方式，使用效率極其低下。

隨著計(jì)算機(jī)的性能越來(lái)越快，手工操作的慢速度和計(jì)算機(jī)的高速度之間形成了尖銳矛盾，人們迫切需要一套完整的控制程序來(lái)管理系統(tǒng)資源，從而提高系統(tǒng)資源的利用率。

于是各式各樣的操作系統(tǒng)出現(xiàn)了，人們又制定了新的目標(biāo)，直到Unix的出現(xiàn)，操作系統(tǒng)的基本概念、功能、基本結(jié)構(gòu)和組成才慢慢形成并漸趨完善，同時(shí)，為了便于Unix的移植，Unix之父（Ken Thompson與Dennis Ritchie）又創(chuàng)造了C語(yǔ)言，并使用C語(yǔ)言重寫(xiě)了內(nèi)核，并將內(nèi)核源代碼以“僅用于教育目的”的協(xié)議，提供給各所大學(xué)作為教學(xué)之用，成為當(dāng)時(shí)操作系統(tǒng)課程中的范例教材，之后，各大學(xué)公司開(kāi)始通過(guò)Unix源碼對(duì)Unix進(jìn)行了各種各樣的改進(jìn)和擴(kuò)展，又出現(xiàn)了眾多類Unix操作系統(tǒng)。

時(shí)至今日，操作系統(tǒng)仍然在不斷更新研發(fā)，只為提供更卓越的操作體驗(yàn)。

對(duì)于操作系統(tǒng)的功能，主要有以下幾點(diǎn)：

1.進(jìn)程管理（Processing Management）

2.內(nèi)存管理（Memory Management）

3.硬件交互（Hardware Interaction，或“驅(qū)動(dòng)程序”，Device Driver）

4.文件系統(tǒng)（File System）

5.網(wǎng)絡(luò)通信（Networking）

6.用戶界面（User Interface）

7.安全機(jī)制（Security）

操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序與硬件之間的橋梁，在很大程度成為影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體性能的瓶頸。

就如谷歌公司的Android與蘋(píng)果公司的iOS，對(duì)于硬件的利用效率，完全處于不同層次

二、內(nèi)存管理單元MMU

內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit）簡(jiǎn)稱MMU，它是一塊硬件單元，類似于存儲(chǔ)控制器，它負(fù)責(zé)虛擬地址到物理地址的映射，并提供硬件機(jī)制的內(nèi)存訪問(wèn)授權(quán)。

MMU可以使每個(gè)用戶進(jìn)程都擁有獨(dú)立的地址空間，同時(shí)，內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限的檢查可以保護(hù)每個(gè)進(jìn)程所用的內(nèi)存不會(huì)被其他進(jìn)程破壞。

早期的計(jì)算機(jī)由于性能低下，所用的程序是非常小的，可以全部裝入內(nèi)存中，隨著技術(shù)的發(fā)展，物理內(nèi)存無(wú)法滿足應(yīng)用程序的要求，所以引入了虛擬存儲(chǔ)器。

虛擬存儲(chǔ)器從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量進(jìn)行擴(kuò)充，用戶看到的大容量只是一種感覺(jué)，是虛擬的，在32位的CPU系統(tǒng)中，這個(gè)虛擬內(nèi)存地址的范圍為0~0xFFFFFFFF（4GB），我們把這個(gè)地址范圍稱為虛擬地址空間。與虛擬地址空間、虛擬地址相對(duì)應(yīng)的是物理地址空間、物理地址，它們對(duì)應(yīng)實(shí)際的內(nèi)存。

我們?cè)趦?nèi)存中劃出一小塊空間，用來(lái)存儲(chǔ)虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存之間的映射關(guān)系。

如段（Section，1MB）映射，我們使用Excel中的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)的話，對(duì)于32位CPU，擁有4G的虛擬地址空間，所以只需要4096個(gè)單元格，每個(gè)單元格占用4Byte，用來(lái)描述物理內(nèi)存的一段（1MB），只需在內(nèi)存劃分出16KB即可

除此至外，還有頁(yè)（Page）映射方式，頁(yè)的大小有3種，大頁(yè)（64KB）、小頁(yè)（4KB）、極小頁(yè)（1KB）。

同時(shí)，上面所說(shuō)的單元格，其實(shí)在MMU中稱作“描述符”，在描述符中，不但保存了段、大頁(yè)、小頁(yè)、極小頁(yè)的其實(shí)物理地址，還保存了對(duì)應(yīng)的內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限。

在配置好MMU之后，MMU將開(kāi)始相應(yīng)CPU的請(qǐng)求，根據(jù)描述符中的內(nèi)容，做出相應(yīng)的操作。

同時(shí)，為了提供性能和程序的運(yùn)行速度，還引入了TLB和Cache。

<完結(jié)>