计算机组成原理（五）：程序装载

在计算机组成原理中，程序装载（Program Loading）是指将程序从外存（如磁盘）加载到内存中，并为其运行做好准备的过程。程序装载是实现程序从静态存储状态到动态运行状态的关键环节，涉及地址映射、内存分配和链接等技术。

程序装载

概念

程序装载的目的是将存储在外存上的程序（目标代码）搬移到内存中，分配资源并确保它能在处理器上执行。
装载过程主要包括：

读取程序目标代码（从外存载入）。
地址映射（将逻辑地址映射为物理地址）。
链接外部模块或库（静态或动态）。
初始化运行环境（如栈和堆的分配）。

程序装载与地址空间

逻辑地址和物理地址

逻辑地址（Logical Address）：
- 程序编译或运行时产生的地址，通常以程序的起始位置为基准（相对地址）。
物理地址（Physical Address）：
- 内存中实际的硬件地址，用于访问物理存储单元。
地址映射：
- 绝对装载： 逻辑地址 = 物理地址。
- 可重定位装载： 逻辑地址 + 重定位基址 = 物理地址。
- 动态装载： 由操作系统或硬件在运行时完成地址映射。

虚拟内存的支持

程序装载与虚拟内存技术结合后，可以实现：

按需分页： 仅在程序运行时加载实际用到的内存页。
地址转换： 利用页表或段表将虚拟地址映射到物理地址。
内存保护： 不同程序的虚拟地址空间相互隔离。

程序装载与链接

静态链接

在编译阶段，将所有引用的库和模块链接到目标代码中。
装载时不需要额外链接操作，直接运行。
优点：
- 装载速度快。
- 运行时无需依赖外部库，适合独立运行的程序。
缺点：
- 程序体积大，浪费内存。
- 库函数版本更新后需重新编译。

动态链接

在程序运行时加载所需的库和模块，按需解析外部符号。
常用于操作系统提供的共享库（如 .so 文件或 .dll 文件）。
优点：
- 减少程序的体积和内存占用。
- 方便模块复用和库函数的更新。
缺点：
- 运行时需要额外处理，增加复杂性。
- 依赖动态链接器支持。

程序装载与操作系统的关系

操作系统在程序装载过程中起到了关键作用：

内存管理：
- 提供内存分配与地址重定位机制（分段、分页、虚拟内存等）。
装载器的实现：
- 引导装载器（Bootstrap Loader）： 负责加载操作系统核心程序。
- 用户程序装载器： 管理用户程序的加载和初始化。
资源分配：
- 分配运行所需的内存、CPU、I/O设备等资源。
多道程序环境支持：
- 确保多个程序能同时装载和运行，防止资源冲突。

程序装载的优化技术

延迟加载（Lazy Loading）

仅在程序实际使用某模块时才加载对应代码或数据。

按需分页

结合分页技术，只有当前访问的页被加载到内存，未使用部分保持在外存中。

预取与缓存

装载时预测程序下一步可能访问的内存区域，提前加载以减少延迟。

内存分段

内存分段（Segmentation）是一种从逻辑结构出发的内存管理技术，将内存划分为若干大小不等的逻辑段，每个段对应一个完整的逻辑单元（如代码段、数据段、栈段等）。

概念

段（Segment）：

一个段是一个逻辑单元，如一个函数、数组或全局变量。
每个段有自己的长度和起始地址。

逻辑地址（段式地址）：

由段号和段内偏移组成，表示地址在某段中的相对位置。

段表（Segment Table）：

保存每个段的基址（Base Address）和段长（Limit）。
系统通过段表将逻辑地址映射为物理地址。

内存分段的地址转换

地址转换的步骤如下：

根据逻辑地址中的段号查段表，找到该段的基址。
将段内偏移加上基址，得到物理地址。
如果段内偏移超出段长，产生段越界错误。

公式：

物理地址=段基址+段内偏移

特点

优点：

符合程序的逻辑结构，便于模块化编程和共享。
每个段可以独立管理和保护，增强安全性。
段可动态增长或缩小（适合堆、栈结构）。

缺点：

容易产生外部碎片，即不同段之间无法充分利用的小块空闲内存。
硬件实现复杂，需要支持段表和段号管理。

内存分页

内存分页（Paging）是一种从物理实现出发的内存管理技术，将内存和程序分为大小固定的块（页），以提高内存利用率，解决碎片问题。

概念

页（Page）：

程序的逻辑内存按照固定大小分成若干页（通常为4KB）。

页框（Frame）：

物理内存被划分为与页大小相同的页框。

页表（Page Table）：

保存页号到页框号的映射关系。

逻辑地址（分页地址）：

由页号和页内偏移组成，页号用于查页表，页内偏移用于定位页内具体地址。

内存分页的地址转换

地址转换的步骤如下：

根据逻辑地址中的页号查页表，找到对应的物理页框号。
将页内偏移加上物理页框基址，得到物理地址。

公式：

物理地址=页框基址+页内偏移

特点

优点：

消除了外部碎片，页与页框大小固定，分配更高效。
实现虚拟内存机制，支持按需分页和内存交换技术。
程序逻辑地址是连续的，物理地址可分散，提高内存利用率。

缺点：

可能产生内部碎片，即页中未使用的部分浪费内存。
地址转换需要额外的硬件支持（如页表和TLB）。
页表可能占用大量内存，尤其在大地址空间中。

分页与分段的对比

特性	内存分段	内存分页
基本单位	段：逻辑单元，大小可变	页：固定大小，通常为4KB或8KB
管理视角	从逻辑结构出发（程序员视角）	从物理内存出发（操作系统视角）
地址组成	段号 + 段内偏移	页号 + 页内偏移
地址映射	段表（基址 + 段内偏移）	页表（页号 + 页内偏移）
碎片问题	存在外部碎片，无内部碎片	无外部碎片，但可能产生内部碎片
优点	符合逻辑单元划分，便于模块化设计	内存利用率高，支持虚拟内存和按需加载
缺点	外部碎片问题严重，需要硬件段表支持	页表存储开销大，需要额外硬件支持
灵活性	动态调整较灵活（段可扩展）	页固定大小，不适合动态扩展