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计算机组成原理（五）：程序装载

news 来源：原创 2025/6/23 19:53:19

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：

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

分类

根据程序装载时的实现方式，装载可以分为以下几种类型：

绝对装载

  • 定义：
    程序目标代码使用绝对地址，装载时直接按照目标代码中的地址将程序放置到内存的固定位置。
  • 特点：
    • 编译时就确定了程序的物理地址。
    • 程序只能在特定地址运行。
  • 优点：
    • 简单直接，装载速度快。
  • 缺点：
    • 缺乏灵活性，程序位置固定。
    • 程序间容易产生地址冲突，难以在多道程序环境中使用。

可重定位装载

  • 定义：
    程序目标代码使用相对地址（例如段内偏移地址）。装载时，操作系统将程序的起始地址与相对地址结合，计算出程序的实际运行地址。
  • 特点：
    • 程序可以装载到内存的任意位置运行。
    • 装载器通过修改目标代码中的相对地址或利用硬件寄存器实现重定位。
  • 优点：
    • 灵活性高，适用于多道程序环境。
  • 缺点：
    • 装载时需要地址计算，开销较高。

动态运行时装载

  • 定义：
    程序目标代码在运行时根据需要动态加载到内存中。这种装载方式通常用于支持动态链接库或分段式程序。
  • 特点：
    • 程序运行期间按需加载未使用的模块或数据。
    • 提供更高的内存利用率和运行效率。
  • 优点：
    • 节省内存资源。
    • 支持动态链接，便于程序更新与模块复用。
  • 缺点：
    • 增加运行时的复杂性和开销。
    • 可能导致额外的运行时延迟。

程序装载与地址空间

逻辑地址和物理地址

  1. 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）。
  2. 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。
  3. 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：

  1. 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）。
  2. 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。
  3. 资源分配：
    • 分配运行所需的内存、CPU、I/O设备等资源。
  4. 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：

  1. 根据逻辑地址中的段号查段表，找到该段的基址。
  2. 将段内偏移加上基址，得到物理地址。
  3. 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：

  1. 根据逻辑地址中的页号查页表，找到对应的物理页框号。
  2. 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

参考：

虚拟内存、内存分段和内存分页： https://blog.csdn.net/www_dong/article/details/115984208

段页式内存管理和linux内存管理：https://blog.csdn.net/www_dong/article/details/116032029

《程序员的自我修养——链接、装载和库》

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文章目录 前言WM8960简介I2S协议接口说明 SAI音频接口简介驱动框架简介设备树配置内核使能声卡设置与测试 后续参考文献 前言 该专栏主要是讲解嵌入式相关的驱动开发&#xff0c;但是由于ALSA驱动框架过于复杂&#xff0c;实现音频编解码芯片的驱动不是一个人能完成的&#xf…...

编程日记 2025/6/21 22:41:55

【数据结构——查找】二分查找（头歌实践教学平台习题）【合集】

目录&#x1f60b; 任务描述 相关知识 测试说明 我的通关代码: 测试结果&#xff1a; 任务描述 本关任务&#xff1a;实现二分查找的算法。 相关知识 为了完成本关任务&#xff0c;你需要掌握&#xff1a;1.根据键盘输入的一组有序数据建立顺序表&#xff0c;2.顺序表的输…...

编程日记 2025/6/22 6:00:50

探索云原生数据库 PolarDB

引言 在云计算时代，数据库的重要性不言而喻。随着企业数字化转型的加速，对数据库的性能、可靠性和灵活性的要求也越来越高。阿里云推出的云原生数据库 PolarDB，正是为了满足这些需求而设计的一款高性能、兼容性强、弹性灵活的关系型数据库产品。本文将详细介绍 PolarDB 的特…...

编程日记 2025/6/20 7:32:09

OGG FOR MYSQL同步DDL

以下实验测试OGG FOR mysql 同步DDL&#xff0c; OGG 21.3 MYSQL 8.0.27 --创建测试数据 create table oggddl_20241201 (oid int primary key ,oname varchar(10)); create table oggddl_20241202 (oid int primary key ,oname varchar(10)); create table oggddl_20241203…...

编程日记 2025/6/2 0:23:41

【CAN】asc报文格式文件合并（python版）

目录 一、简介二、合并asc格式报文1、准备多个asc文件2、根据时间合并asc文件3、结果 三、总结四、参考 一、简介 CAN通信&#xff1a;CAN&#xff08;Controller Area Network&#xff09;是一种多主方式的串行通讯总线。基本设计规范要求有高位速率、高抗电磁干扰性&#xf…...

编程日记 2025/6/19 23:12:30