存储器的层次结构
对于通用计算机而言，存储层次至少为三级：CPU寄存器、主存、辅存。
什么是位？
所谓位，是最基本的概念，在计算机中，由于只有逻辑0和逻辑1的存在，因此很多东西、动作、数字都要表示为一串二进制的字码例如： 1001 0000 1101等等。其中每一个逻辑0或者1便是一个位。例如这个例子里的1000 1110共有八个位，它的英文名字叫（bit），是计算机中最基本的单位。
所谓的字节 Byte，是由八个位组成的一个单元，也就是8个bit组成1个Byte。字节有什么用呢？ 在计算机科学中，用于表示ASCII字符，便是运用字节来记录表示字母和一些符号~例如字符A便用 “0100 0001”来表示。
而字节以上，便是字：16个位为一个字，它代表计算机处理指令或数据的二进制数位数，是计算机进行数据存储和数据处理的运算的单位。通常称16位是一个字，而32位呢，则是一个双字，64位是两个双字。
xx位机的xx位是指字长。这个字和word不一样，是指这种CPU一次能运算的数据长度，32位机就是一次运算32个二进制位，64位机就是一次运算64个二进制位。
程序的装入和链接
在多道程序环境下，要使程序运行，必须先为之创建进程。而创建进程的第一件事，便是将程序和数据装入内存。
用户源程序变成可执行程序的步骤：
- 编译：由编译程序(Compiler)将用户源代码编译成若干个目标模块(Object Module)；
- 链接：由链接程序(Linker)将编译后形成的一组目标模块，以及它们所需要的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块(Load Module)；
- 装入：由装入程序(Loader)将装入模块装入内存。
连续分配方式
连续分配方式是指，为用户程序分配一个连续的内存空间。又可把连续分配方式进一步分为单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配以及动态重定位分区分配四种方式。
单一连续分配
只能用于单用户、单任务的操作系统中。采用这种存储管理方式时，可把内存分为系统区和用户区两部分，系统区仅提供给OS使用，通常是放在内存的低址部分；用户区是指除系统区以外的全部内存空间，提供给用户使用。
固定分区分配
固定分区分配是一种可运行多道程序的存储管理方式。它将内存用户空间划分为若干个固定大小的区域，在每个分区中只装入一道作业，这样，把用户空间划分为几个分区，便允许有几道作业并发运行。
为了便于内存分配，通常将分区按大小进行排队，并为之建立一张分区使用表，其中各表项包括每个分区的起始地址、大小及状态。
动态分区分配
动态分区分配是根据进程的实际需要，动态地为之分配内存空间。在实现可变分区分配时，将涉及到分区分配中所用的数据结构、分区分配算法和分区的分配与回收操作这样三个问题。
（1） 分区分配中的数据结构
空闲分区表和空闲分区链。
（2） 分区分配算法
- 首次适应算法（FF，first fit）：FF要求空闲分区链以地址递增的次序链接。在分配内存时，从链首开始顺序查找，直至找到一个大小能满足要求的空闲分区为止，会优先从内存中的低地址进行查找分配。
- 循环首次适应算法（NF，next fit）：NF由FF演变，不再是每次都从链首开始查找，而是从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，直至找到一个能满足要求的空闲分区，从中划出一块与请求大小相等的内存空间分配给作业。
- 最佳适应算法啊（BF，best fit）：每次为作业分配内存时，总是把能满足要求、又是最小的空闲分区分配给作业，避免“大材小用”。
- 最坏适应分配算法（worst fit）：扫描整个空闲分区表或链表，总是挑选一个最大的空闲区分割给作业使用分区的分配与回收。
- 快速适应算法(quick fit)：该算法又称为分类搜索法，是将空闲分区根据其容量大小进行分类。
（3） 分区的分配与回收操作
在动态分区存储管理方式中，主要的操作是分配内存和回收内存。
动态重定位分区分配
基本分页存储管理方式
推动存储管理方式从固定分区到动态分区，进而发展到分页管理的主要动力是，提高内存利用率。
在分页存储管理方式中，如果不具备页面对换功能，则称为基本的分页存储管理方式，或称为纯分页存储管理方式，它不具有支持实现虚拟存储器的功能，它要求把每个作业全部装入内存后方能运行。
引入
1）页面和物理块
分页存储管理是将一个进程的逻辑地址分为若干大小相等的片，称为页面或页，并为各页编号。也把内存空间分为与页面大小相等的若干存储块，称为（物理）块或页框（frame），并对块与进行编号。
页面大小的选取应当适中，且为2的幂，通常为512B~8KB。
2）地址结构
分页地址中的地址结构为：分也式逻辑地址=页号P+页内地址（位移量）d。
对于某个特定机器，其地址结构是一定的。若给定一个逻辑空间中的地址A，页面大小L，则可以求得其页号P和页内地址d：
1 | P=floor(A / L)，向下取整 |
如给定一个逻辑地址空间的地址A=2170 B，系统页面大小为1KB，则由上面两个式子得到页号P=2017/1024=2，页内地址d=2017 mod 1024=122。
3）页表
在分页系统中，允许将进程的各个页离散地存储在内存不同的物理块中，但系统应能保证进程的正确运行，即能在内存中找到每个页面所对应的物理块。为此，系统又为每个进程建立了一张页面映像表（页表）。页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射。
地址变换机构
地址变换机构的主要作用是实现从逻辑地址到物理地址的转换。具体地，将逻辑地址的页号转换为内存中的物理块号。又由于页面映射表（页表）的作用就是实现页号到物理块号的映射，因此地址变换的主要任务是借助页面映射表（页表）来完成的。
1）基本的地址变换机构
当进程未执行时，页表的始址和页表的长度都存在本进程的PCB中；当调度程序调度到某进程时，才将这两个数据装入页表寄存器。
计算某个分页管理中逻辑地址的物理地址：
找到逻辑地址的页号；计算在页表中的地址=页表始址+页号*页表项长度；通过页表映射到物理地址。
![分页系统的地址变换机构]
2） 具有快表的地址转换机构
基本分段存储管理方式
引入
引入基本分段存储管理方式的目的是，满足开发人员在编程和使用上的多方要求：
- 方便编程：逻辑地址=段号+段内地址（偏移）；
- 信息共享：段是信息的逻辑单位，而页只是存放信息的物理单位（块），并无完整意义。允许多个进程共享一个或多个分段。
- 信息保护：对信息的逻辑单位进行保护。
- 动态增长，
- 动态链接：在作业运行之前，并不把作业段链接起来，而是在运行过程中需要调用某段时，才将该段调入内存并连接。
分段系统的原理
1）分段
分段式逻辑地址=段号+段内地址。整个作业的地址空间由于是分成多个段，因而是二维的。
作业的地址空间被划分为若干个段，每个段定义了一组逻辑信息。例如，有主程序段MAIN、子程序段X、数据段D 及栈段S段，每个段都有自己的名字。
2）段表
对应于分页管理中的页表，分段管理中也有段表，用于实现逻辑段到物理内存区的映射。
3）地址变换机构
计算分段管理中某个逻辑地址的物理地址：
找到逻辑地址的段号；根据段表始址和段号，计算该段对应表项的位置，从中读出该段在内存中的起始地址；计算物理地址=起始地址+段内地址；通过页表映射到物理地址。
4）分页和分段的主要区别
a. 页是信息的物理单位，分页是为了提高内存利用率；段是信息的逻辑段位，分段是为了满足用户的需要。
b. 页的大小固定且由系统决定；段的大小不固定，由用户所编写的程序决定。
c. 分页的作业地址空间是一维的；分段的作业地址空间是二维的，在标识地址时，既要给出段名，又要给出段内地址。
怎么理解分页管理是一维的，而分段管理是二维的？
页式存储是一维的，因为各个模块在链接时必须组织在同一地址空间；而分段式二维的，各个模块在链接时可以把每个段组织成一个地址空间。也就是说，在编程的时候，如果是分页存储，你只需要给定一个逻辑地址，然后操作系统会自己去把逻辑地址划分成页号和页内偏移，所以是一维的。而如果是段式存储的话，你需要给定的逻辑地址必须包括段号和段内偏移量，因为分段式从程序员的角度来分的，操作系统并不知道段内偏移，无法只通过段号找物理地址，所以段式存储是二维的。
5）段页式存储管理
分页能提高内存利用率，而分段能满足用户需求。
段页式存储是分段和分页原理的结合，即先将用户程序分成若干个段，再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋予一个段名。
段页式逻辑地址=段号+段内地址+页内地址。
虚拟存储器
引入
前面所说的存储器都需要将所有作业放入内存才能运行，但并非所有程序和数据都用得到，而且作业会一直驻留在内存，直到作业运行结束。但可能出现内存容量不够大的情况，因此出现了虚拟存储器的概念。
局部性原理：
程序在执行时将呈现局部性规律，即在一较短时间内，程序的执行仅局限于某个部分，相应地，它访问的内存区域也局限于某个区域。体现在：
- 时间局限性：如果程序中的某条指令被执行过，则该条指令可能再次被执行；或该条数据被访问过，则它有可能被再次访问。
- 空间局限性：如果程序的某个存储单元被访问过，则它附近的单元可能在不久后被访问。
基于局部性原理，应用程序在执行之前，没必要全部装入内存。
虚拟存储器的实现方法
1） 分页请求系统
2） 分段请求系统
请求分页存储管理方式
请求分页存储管理是建立在基本分页存储管理方式上的。为了能支持虚拟存储器功能，增加了调页功能和页面置换功能。
页面置换算法
在进程运行过程中，若其要访问的页面不在内存且需要调入内存，但内存中已无空闲空间时，系统必须从内存中调出一页或数据送往磁盘的对换区中。把选择换出页面的算法称为页面置换算法（page replacement algorithm）。
最佳（optimal）置换算法
最佳置换算法是Belady提出的一种理论上的算法。它所选择的淘汰页面是，以后将永不再使用的，或许在最长（未来）时间内不再被访问的页面。可以保证最低的缺页率。
如系统为某个进程分配了三个物理块，考虑如下的页面号引用串：
7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1
先将7,0,1转入内存，当要访问页面2时，将产生缺页中断，根据最佳置换算法，选择将页面7淘汰。因为页面7将在第18次访问才调入，页面0将在第5次访问调入，页面1将在第14次访问时调入，所以页面7将是最晚访问的，需要被淘汰。从下图可以看出产生了6次页面置换。
先进先出（FIFO，first in first out）置换算法
先进先出总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。
仍然使用上面的例子，从下图可以看出FIFO算法执行了12次页面置换。
最近最久未使用（LRU，least recently used）置换算法
最近最久未使用算法选择最近最久未使用的页面予以淘汰。仍然使用上面的例子，由下图可以看出，LRU算法进行了9次页面置换。需要硬件支持。
Clock置换算法
LRU 算法是较好的一种算法，但由于它要求有较多的硬件支持，故在实际应用中，大多采用LRU的近似算法。Clock算法就是用得较多的一种LRU近似算法。
由于该算法是循环地检查各页面的使用情况，故称为Clock算法。置换时是将未使用过
的页面换出去，所有又叫最近未用（NRU，not recently used）算法。需要硬件支持。
最少使用（LFU，least frequency used）页面置换算法
LFU算法选择在最近使用次数最少的页面作为淘汰页。
设置移位寄存器来记录页面使用的频率，每次访问某个页面时，便将该移位寄存器的最高位置1，再每隔一段时间（如100ms）右移一次。没有使用计数器的原因是存储器的访问速度太高。
页面缓冲算法（PBA，page buffering algorithm）
页面缓冲算法规定将一个被淘汰的页放入两个链表中的一个，即如果页面未被修改，就将它直接放入空闲链表中；否则，便放入已修改页面的链表中。须注意的是，这时页面在内存中并不做物理上的移动，而只是将页表中的表项移到上述两个链表之一中。