操作系统理论 第四章（存储器管理）—第一节（存储器的层次结构）
写在前面：
- 本系列笔记主要以《计算机操作系统（汤小丹…）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。
- 视频链接：操作系统（汤小丹等第四版）_哔哩哔哩_bilibili
一、内存管理概述
存储器管理的主要对象是内存，至于外存，它主要用来存放文件，所以外存的管理归为文件管理的内容。
操作系统对内存的划分和动态分配，就是内存管理的概念。内存管理的功能有：
①内存空间的分配和回收：由操作系统完成主存储器空间的分配和管理，使程序员摆脱存储分配的麻烦，提高编程效率。
②地址转换：在多道程序环境下，程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致，因此存储管理必须提供地址变换功能，把逻辑地址转换成相应的物理地址。
③内存空间的扩充：利用虚拟存储技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存。
④存储保护：保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰。
二、多层结构的存储器系统
对于通用计算机而言，存储层次至少应具有三级：最高层为 CPU寄存器，中间为主存，最底层是辅存。在较高档的计算机中，还可以根据具体的功能细分为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动存储介质等6层。
在存储层次中，层次越高（越靠近CPU），存储介质的访问速度越快，价格也越高，相对所配置的存储容量也越小。其中，寄存器、高速缓存、主存储器和磁盘缓存均属于操作系统存储管理的管辖范畴，掉电后它们中存储的信息不再存在；而低层的固定磁盘和可移动存储介质则属于设备管理的管辖范畴，它们存储的信息将被长期保存。
三、主存储器与寄存器
1、主存储器
主存储器简称内存或主存，是计算机系统中的主要部件，用于保存进程运行时的程序和数据，也称可执行存储器。通常处理机都是从主存储器中取得指令和数据的，并将其所取得的指令放入指令寄存器中，而将其所读取的数据装入到数据寄存器中；或者反之，将寄存器中的数据存入到主存储器。
由于主存储器访问速度远低于CPU执行指令的速度，为缓和这一矛盾，在计算机系统中引入了寄存器和高速缓存。
2、寄存器
寄存器具有与处理机相同的速度，故对寄存器的访问速度最快，完全能与CPU协调工作，但价格却十分昂贵，因此容量不可能做得很大。
四、高速缓存和磁盘缓存
1、高速缓存
高速缓存是现代计算机结构中的一个重要部件，它是介于寄存器和存储器之间的存储器，主要用于备份主存中较常用的数据，以减少处理机对主存储器的访问次数，这样可大幅度地提高程序执行速度。高速缓存容量远大于寄存器，而比内存约小两到三个数量级左右，访问速度快于主存储器。
在计算机系统中，为了缓和内存与处理机速度之间的矛盾，许多地方都设置了高速缓存。
2、磁盘缓存
由于目前磁盘的I/O速度远低于对主存的访问速度，为了缓和两者之间在速度上的不匹配，而设置了磁盘缓存，主要用于暂时存放频繁使用的一部分磁盘数据和信息，以减少访问磁盘的次数。但磁盘缓存与高速缓存不同，它本身并不是一种实际存在的存储器，而是利用主存中的部分存储空间暂时存放从磁盘中读出（或写入）的信息。主存也可以看作是辅存的高速缓存，因为辅存中的数据必须复制到主存方能使用，反之，数据也必须先存在主存中，才能输出到辅存。