虚拟存储器概述

虚拟地址空间

虚拟存储器为每个进程提供一个虚拟的地址空间，这个空间可以大于实际的物理内存。虚拟地址空间通过地址映射机制将虚拟地址转换为物理地址，从而使得每个进程在自己的地址空间内操作数据，而不干扰其他进程。
按需装入

虚拟存储器系统只在进程需要时才将所需的页装入内存，这种方式称为按需装入（Demand Paging）。这种方式提高了内存利用率，因为它避免了将不必要的页一次性加载到内存中。
共享和保护

虚拟存储器通过页表或段表机制，实现内存的共享和保护：
- 共享：多个进程可以共享相同的代码段或数据段，从而减少内存的冗余使用，提高内存利用率。
- 保护：通过设置页表或段表中的访问权限，可以防止一个进程非法访问另一个进程的内存，增强系统的安全性。
动态重定位

在虚拟存储器系统中，进程在内存中的位置可以动态变化，进而实现内存的动态管理。这意味着进程的内存地址不必固定，可以在内存和磁盘之间灵活地移动。

分页（Paging）
- 基本思想：将虚拟地址空间和物理内存都划分为固定大小的页和页框，通过页表实现虚拟地址到物理地址的映射。
- 页表：每个进程拥有一个页表，存储其虚拟页号和物理页框号的映射关系。
- 按需调页：当进程访问一个不在内存中的页时，引发缺页中断，系统从磁盘调入该页。
分段（Segmentation）
- 基本思想：将虚拟地址空间划分为不同大小的段，每段有独立的起始地址和长度。
- 段表：每个进程拥有一个段表，存储段的起始地址、长度和访问权限。
分页和分段结合
- 基本思想：结合分页和分段两种技术，虚拟地址首先通过分段机制映射到一个逻辑段，然后再通过分页机制映射到物理内存。
- 段页表：综合使用段表和多级页表，在虚拟存储器中组织和管理地址映射。

地址生成：进程生成一个虚拟地址，这个地址包括段号（或页号）和段内偏移（或页内偏移）。
地址转换：系统通过段表和页表将虚拟地址转换为物理地址。
缺页处理：
- 检测缺页中断：如果页表项指示该页不在内存中，会触发缺页中断。
- 调页机制：操作系统根据缺页中断，从磁盘中调入所需的页，将其装入空闲页框。
- 更新页表：更新页表项，指示该页已驻留在内存中。
内存访问：成功转换后，系统根据生成的物理地址访问内存中的数据。

虚拟存储器是一种通过将物理内存与外存（例如磁盘）结合起来，为程序提供比实际物理内存更大的地址空间的技术。它可以有效提高内存的利用率，并支持更大的程序运行。

虚拟存储器的实现主要有两种方法：

分页存储管理将虚拟地址空间和物理内存都划分成固定大小的页（Page）。每个页都有一个唯一的页号（Page Number）。虚拟地址由页号和页内偏移量（Page Offset）组成。

在分页存储管理中，页表（Page Table）用于存储虚拟页号和物理页框号（Page Frame Number）的映射关系。页表寄存器（Page Table Register）则指向当前正在使用的页表。

当程序访问一个虚拟地址时，CPU首先会将该地址分解为页号和页内偏移量。然后，CPU会使用页表寄存器中的基地址找到相应的页表项，并从中获取物理页框号。最后，CPU会将物理页框号和页内偏移量组合成物理地址，并访问相应的物理内存。

分页存储管理具有以下优点：

分段存储管理将虚拟地址空间划分为大小可变的段（Segment）。每个段都有一个唯一的段名（Segment Name）和长度（Length）。虚拟地址由段名和段内偏移量（Segment Offset）组成。

在分段存储管理中，段表（Segment Table）用于存储段名和物理页框号的映射关系。段表寄存器（Segment Table Register）则指向当前正在使用的段表。

当程序访问一个虚拟地址时，CPU首先会将该地址分解为段名和段内偏移量。然后，CPU会使用段表寄存器中的基地址找到相应的段表项，并从中获取物理页框号。最后，CPU会将物理页框号和段内偏移量组合成物理地址，并访问相应的物理内存。

分段存储管理具有以下优点：

段页式存储管理结合了分页存储管理和分段存储管理的优点。它将虚拟地址空间划分为大小可变的段，每个段又进一步划分为固定大小的页。

段页式存储管理具有以下优点：

虚拟存储器的实现还需要硬件的支持，包括：

地址变换机构（Address Translation Mechanism）：负责将虚拟地址转换为物理地址。
页表（Page Table）：存储虚拟页号和物理页框号的映射关系。
页表寄存器（Page Table Register）：存储当前正在使用的页表的基地址。
段表（Segment Table）：存储段名和物理页框号的映射关系。
- 段表寄存器（Segment Table Register）：存储当前正在使用的段表的基地址。