操作系统中存储系统简介虚拟内存、内存管理、分页、保护

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对于存储器，速度越快，能耗越高，材料成本也越高
存储系统的层次结构从上到下依次为：

寄存器
- 访问速度非常快，通常在半个CPU时钟周期内完成读写。
- 与CPU主频相关，例如2GHz主频的CPU，其时钟周期为0.5纳秒。
CPU Cache
- 使用SRAM（Static Random-Access Memory，静态随机存储器）芯片，只要有电，数据就可以保存。
- 分为三层：
  - L1 Cache：分为数据缓存和指令缓存，通常大小为32K。
  - L2 Cache：通常大小为1024K。
  - L3 Cache：通常大小为14080K。
内存
- 使用DRAM（动态随机存取存储器）芯片。
- 相比SRAM，DRAM密度更高，功耗更低，容量更大，造价便宜。
- DRAM 存储一个 bit 数据，只需要一个晶体管和一个电容就能存储，但是因为数据会被存储在电容里，电容会不断漏电，所以需要「定时刷新」电容
- 访问速度较慢，大约在200~300个时钟周期之间。
SSD/HDD硬盘
- SSD（固态硬盘）：数据在断电后仍然保存，读写速度比内存慢10~1000倍。
- HDD（机械硬盘）：通过物理读写方式访问数据，速度比内存慢约10万倍。

不同层级的存储器在成本和性能上存在显著差距：

存储器之间的交互是层级化的，CPU只与相邻的存储器设备进行交互。例如，CPU与L1 Cache交互，L1 Cache与L2 Cache交互，依此类推。每个存储器层级的速度越快，所需的材料成本也越高，因此高速度的存储器通常容量较小，而低速度的存储器则可以有更大的容量。

虚拟内存是一种内存管理技术，它使得应用程序认为自己拥有连续的可用内存空间，实际上这些空间可能是分散的。虚拟内存的实现依赖于硬件异常、地址翻译、主存、磁盘及内核软件的共同作用。

操作系统会提供一种机制，在物理内存和虚拟内存之间建立一个地址映射表，进程持有的虚拟地址会通过 CPU 芯片中的内存管理单元（MMU）的映射关系，来转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问内存

地址空间：物理内存的抽象，进程可用于寻址内存的地址集合。
分页：将地址空间分割成多个块，每一块称作一页（Page），这些页被映射到物理内存（页框）。
页表：用于将虚拟页面（虚拟地址）映射为页框（物理地址），提供虚拟地址与物理地址的映射关系。
用户态与内核态
- 用户态：进程不允许执行特权指令，必须通过系统调用接口访问内核。
- 内核态：进程可以执行任何指令，访问系统中的任何内存位置。

外部碎片：整体内存容量足够，但无法为较大的内存请求分配连续的内存块，因为已分配的内存块分散在内存中。
内部碎片：分配的内存块大于进程实际需要的内存量，导致内存浪费在内部碎片中。
内存分段：将物理内存划分成不同的逻辑段，每个段用于存储特定类型的数据。每个段具有不同的大小和属性。分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择因子和段内偏移量，而虚拟地址是通过段表与物理地址进行映射的。
内存分页：将地址空间划分成固定大小的页，动态增长的特点可能导致覆盖问题的出现。虚拟内存采用的是分⻚技术

分⻚主要用于实现虚拟内存，从而获得更大的地址空间；分段主要是为了使程序和数据可以被划分为逻辑上独立的地址空间并且有助于共享和保护。

高速缓存：
- 根据存储器层次结构，将小而快的存储设备视为大而慢的存储设备的缓存。
虚拟内存中的页类型：
1. 未分配：
  - 未被进程申请使用的虚拟内存，空闲状态，未占用磁盘空间。
2. 未缓存：
  - 仅加载到磁盘中的页。
3. 已缓存：
  - 已加载到内存中的页（页框）。

目的: 保护用户进程的内存安全，防止恶意操作，确保系统稳定性。
限制措施:
- 只读代码段: 用户进程不能修改自身的只读代码段。
- 内核代码和数据: 禁止用户进程读取或修改内核中的代码和数据结构。
- 进程间内存访问:
  - 不允许读取或修改其他进程的私有内存。
  - 不允许修改其他进程共享的虚拟页面。
潜在风险: 如果不限制内存访问，攻击者可能会访问和修改其他进程的内存，导致系统崩溃。
虚拟寻址实现:
- 通过内存管理单元 (MMU)，每次内存访问都会查阅页表中的页表条目 (PTE)。
- 在PTE中添加标志位来实现对虚拟页的访问控制权限。