嵌入式软件开发，非科班专业必须掌握的基本计算机知识
核心知识点：数据表示和运算、存储系统、指令系统、总线系统、中央处理器、输入输出系统
这一部分主要讲解了CPU的组成和扩容、CPU与存储器（主存、辅存、缓存）的连接
一 存储器以及其与CPU的连接
1）存储器的扩容
一块存储芯片的内部结构
1k×4位存储矩阵结构
由1k×4位构建一个1k×8位存储矩阵（位扩展）——芯片扩容
由1k×4位构建一个2k×4位存储矩阵（字扩展）多了一条地址线A10
若再增加一条地址线A11
由1k×4位构建一个2k×8位存储矩阵（位扩展+字扩展）
2）存储器与CPU的连接
存储器与CPU连接示意图
例：
存储芯片
译码器与门电路（圆圈的意思是将当前信号 取反）
地址分配
实现MREQ作为访存控制信号（低电平有效）、WR作为读/写控制信号（低电平为读、高电平为写）
二 缓存Cache
存储器与CPU连接时会发现,CPU很快，主存很慢，因此需要一种更快的存储器——缓存Cache
程序的局部性访问原理
基本工作原理
把缓存和主存以块为单位，
读时，判断地址是否在缓存中，常用则备份至缓存中，缓存满时需要按照一定规则清理已有的块
写时，考虑保持数据一致性的办法，
主存-Cache地址映射
地址分两块 地址分四块
分2的m次方块
图中主存中两个地址映射缓存一个地址，因此需要加标志位（黄色字体）
直接映射
例：
全相联映射
组相联映射
Cache缓存中只有主存部分的块，因此CPU查询主存地址时，不一定能够在缓存中找到，因此涉及命中率问题
前面提及缓存中的数据需要被及时替换，因此需要算法
直接映射无需考虑替换算法，直接替换
对于全相连和组相连，因为某一主存块可能映射到Cache中的多个块中，因此存在以下替换算法：
写策略（改写的时机）
三 虚拟存储器
之前是缓存与主存搭配，这部分是辅存与主存配合，扩大存储容量
页式虚拟存储器
图中 虚页号要大于实页号，因此映射时需要其他操作，即页表起始地址
段式虚拟存储器
页式虚拟存储器（Paging Virtual Memory）和段式虚拟存储器（Segmentation Virtual Memory）都是常用的虚拟存储器管理方式，但它们有着不同的实现方式和特点。
1）实现方式
页式虚拟存储器将进程的地址空间划分为固定大小的页面（Page），相邻的页面是连续的，每个页面的大小通常为2的幂次方。物理内存也被分成相同大小的帧（Frame），每个页面可以映射到一个或多个帧中。当进程需要访问一个页面时，操作系统会根据页面号查找该页面所在的帧，然后通过内存管理单元把该页面加载到内存中。
段式虚拟存储器则将进程的地址空间划分为若干个逻辑段（Segment），每个逻辑段具有一定的长度、基址和保护属性。每个逻辑段可以动态地分配物理内存中的若干个连续区域，这些区域可以是不连续的，但必须满足逻辑地址空间中段的大小限制。当进程需要访问一个逻辑段时，操作系统会根据给定的段号和段内偏移量计算出对应的物理地址。
2）存储管理
在页式虚拟存储器中，操作系统把逻辑地址（由页号和页内偏移量组成）转换为物理地址（由帧号和页内偏移量组成）。这个过程叫做页面映射（Page Mapping），可以通过页表或者快表来实现。
在段式虚拟存储器中，操作系统把逻辑地址（由段号和段内偏移量组成）转换为物理地址（由物理地址和段内偏移量组成）。这个过程叫做段映射（Segment Mapping），可以通过描述符表来实现。
3）特点
页式虚拟存储器的最小存储单位是页面，其大小一般为4KB、8KB或者16KB。页式虚拟存储器将地址空间和物理内存都划分为等大小的块，因此易于管理和实现。但是，在进行页面映射时，由于可能存在不同页面映射到同一帧的情况，因此可能会产生页面置换和页面失效等问题。
段式虚拟存储器的最小存储单位是逻辑段，每个逻辑段的大小不定，根据需要动态调整。段式虚拟存储器更加灵活，可以为不同类型的数据分配不同大小的地址空间，但管理和实现相对复杂，需要占用更多的内存开销。
综上所述，页式虚拟存储器和段式虚拟存储器分别适用于不同的应用场景，开发人员需要根据具体情况选择合适的虚拟存储器管理方式。
段页式虚拟存储器
段页式虚拟存储器（Segmentation Paging Virtual Memory）是将段式虚拟存储器和页式虚拟存储器相结合的一种内存管理机制。在段页式虚拟存储器中，进程的地址空间被划分为多个逻辑段，每个逻辑段被进一步分成多个固定大小的页面。每个逻辑段的长度可以动态调整，而每个页面的大小通常固定为2的幂次方。
与普通的段式虚拟存储器不同的是，段页式虚拟存储器使用了分段和分页两级映射机制。进程访问一个地址时，首先根据该地址所在的逻辑段号进行段映射，然后再把段内偏移量转换为页面号和页内偏移量，进行页面映射。因此，段页式虚拟存储器既具有段式虚拟存储器的灵活性，又兼具页式虚拟存储器的管理效率。
在段页式虚拟存储器中，操作系统需要维护两级页表来完成地址转换。第一级页表用于映射逻辑段号到物理地址，称为段表（Segment Table）；第二级页表用于映射页面号到物理帧号，称为页表（Page Table）。当进程需要访问一个地址时，操作系统首先查找该地址对应的段号的段表项，确定物理地址空间中该逻辑段的位置和大小。接着，根据偏移量计算出页面号，并在对应的页表项中查找物理帧号。最后，使用物理帧号和页内偏移量组合成最终的物理地址。
相较于纯粹的页式虚拟存储器和段式虚拟存储器，段页式虚拟存储器具有更好的灵活性和管理效率，但同时也带来了更多的复杂度和开销。在实际应用中，需要权衡不同方面的需求，选择适合的内存管理方式。
