Background

• 程式會在記憶體與硬體中間搬移，但最後會在記憶體內執行，且在執行時會使用到register，才能到控制unit中做硬體的process。
• 記憶體只知道兩種指令，且都是一連串的指令：
  • address+read requests
  • address+data and write requests ⇒ 但速度較慢
• Register存取一個指令，通常在一個CPU clock內或更少時間內完成。
• 記憶體管理比register存取高一個order；I/O device又比記憶體管理高一個order，所以在這之中存在著速度差的關係。
• 所有process在一個大的記憶體中執行，所以需要控制整個空間，但因為空間是共用的，所以需要保護自己的process，以免資源被別人拿去使用。

Base and Limit Registers(Hardware Support)

一個logic address space是由base和limit register所定義的。

• Base：process的起始位置。
• Limit register：process的大小。

CPU會負責以每個process ID來檢查每個process是否有在自己的位置上。(between base and limit)

Address Binding

• 程式雖被儲存在硬碟上，但須被載入記憶體中才能形成process去執行，而在硬體上等待的所有process會形成一個input queue。
• 一般來說記憶體的起始位置是0000，但使用者的位置卻不一定，因為有可能已經被別人先使用了。
• 此外，address在程序生命週期的不同階段以不同方式表示：
  • Source code addresses usually symbolic
  • Compiled code addresses bind to relocatable address
    • 從這個module開始的第 14 個byte
  • Linker 或 Loader 將 relocatable address 綁定到 absolute addresses
    • 74014

Linker：將程式需要的像是一些library、code、proess等連接在一起。

Loader：將link好的程式，再load到確定的記憶體位置。

Binding of Instructions and Data to Memory

• Address在將指令與數據綁定到記憶體時，會發生三種不同的階段：
  • Compile time：如果已經知道記憶體的位置，便產生 absolute code，但有更改位置的話，code也需要重新產生(recompile)。
  • Load time：如果程式在 Compile time 並不知道記憶體位置的話，就產生relocatable code。
  • Executin time：如果process在執行時，記憶體segment被搬移到另一個segment的話，連接就會延遲到這時才開始。
    • 大部分作業系統都使用這個方法
    • Need hardware support for address maps (e.g., base and limit registers)

Logical vs. Physical Address Space

• Logical address：由 CPU 產生。可說是當一個程式的最終位置未確定前的位置，也可稱為「virtual address(虛擬地址)」。
• Physical address：真正記憶體的位置，由memory unit所看到。

compile-time和load-time address binding schemes，logical = physical address。

在execution-time address-binding scheme就不同了。

• Logical address space：Program 所產生的所有 logical address 的集合。
• Physical address space：這些邏輯地址對應的所有物理地址的集合。

Memory-Management Unit(MMU)

• 管理記憶體的硬體部分。
• Base register在實作中可以檢查從logical address轉移到physical address的動作，所以又稱為relocation register。
• 使用者程式可以處理 logical address，它永遠不會看到真正的 physical address。
  • 當引用記憶體中的位置時，就會發生execution-time binding。
  • logical address和physical addresses綁定在一起。

Dynamic relocation using a relocation register

• 當模組被呼叫時，才能將其載入主要記憶體中。(Routine is not loaded until it is called)
• 為了有更好的memory-space使用率，所以沒有使用的routine將永不載入。
• 所有的routine以可重定位(relocatable)的加載格式，保存在硬碟上。
• 當大量的code被需要去處理不常發生的事件時，就會非常有用(e.g 錯誤常式)。

不需要操作系統的特殊支持 (和 MMU 沒啥關係)

1. 通過 program design 實現
2. 操作系統可以通過提供 library 來幫助實現 dynamic loading

Dynamic Linking

• Static linking(靜態連接)：將 system libraries 載入 program code(由loader連結在一起)，再由進入 binary program image。
• Dynamic Linking(動態連接)：將 linking 延遲，直到執行時間。(並非"載入時發生")
• Stub 是 code 的一小片段，用於查找 memory-resident library routine。
• OS會檢查是否routine在processes' space中。
• 動態連接對於libraries特別有用
• 此系統也可被稱為shared libraries。
• 考慮是否適用於patching system libraries。
  • Versioning may be needed