虚拟存储器概述
第5章 虚拟存储器 (1)
• (2)驻留性，是指作业被装入内存后，整个作业都一直驻留在内存中，其中 任何部分都不会被换出，直至作业运行结束。尽管运行中的进程被阻塞，而处于 长期等待状态，它们都仍将驻留在内存中，继续占用宝贵的内存资源。
虚拟存储ห้องสมุดไป่ตู้概述
虚拟存储器的定义和特征
虚拟存储器的特征
• (3)虚拟性。是指能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容 量远大于实际内存容量。这样，就可以在小的内存中运行大的作业，或者 能提高多道程序度。它不仅能有效地改善内存的利用率，还可提高程序执 行的并发程度。
• 虚拟存储器目前已在大、中、小及微机上广泛采用。虚拟性是以多次 性和对换性为基础的，或者说，仅当系统允许将作业分多次调入内存，并 能将内存中暂时不运行的程序和数据换至盘上时，才能实现虚拟存储器。
虚拟存储器概述
5.1.3 虚拟存储器的实现方法 P167
• 在虚拟存储器中，允许将一个作业分多次调入内存。所以，虚拟存储器的 实现，都建立在离散分配存储管理方式的基础上。目前，所有的虚拟存储器都 是采用下述方式之一实现的。
• 1．分页请求系统
• 分页请求是在分页的基础上增加了请求调页功能和页面置换功能所形成的 页式虚拟存储系统。它允许用户程序只装入少数页面的程序（及数据）即可启 动运行。以后，再通过调页功能及页面置换功能陆续地把即将运行的页面调入 内存，同时把暂不运行的页面换出到外存上。置换时以页面为单位；为了能实 现请求调页和页面置换功能，系统必须提供硬件支持和请求分页的软件。
5.2 请求分页存储管理方式 P168
第12讲 虚拟存储器
(3) 近期最少使用算法 (LFU) 既充分利用了历史信息，又反映了程序的局 部性，但需要很长的计数器和时钟，实现起 来困难。 (4) 最优替换算法 (OPT) 是一种理想化的算法。用来作为评价其它页 面替换算法好坏的标准。
例1： 一个程序共有5个页面组成，程序执行过程中 的页地址流如下： P1, P2, P1, P5, P4, P1, P3, P4, P2, P4 假设分配给这个程序的主存储器共有3个页面。 给出FIFO、LRU、OPT 三种页面替换算法对 这3页主存的使用情况，包括调入、替换和命 中等。
主存页号 主存地址空间 虚存页号 程序地址空间 0 1 2 0 1
2
7
基号 用户号 0 页基址表 ... 4 N-1 页表长度 页表基址
虚页号 实页号
页内地址 页内地址
虚地址 实地址
页表 2 1 6 1 7 1 0 主存页号 装入位 访问方式
例2：一个虚拟存储器有8个页面，页面大小为 1024字，内存有4个页面框架。页表的内容为 虚页号 实页号 解： 0 3 4098÷1024 = 4......2， 1 1 所以虚页号为4，页内地址 2 为2。从表中查得实页号为 3 2，实际地址为 4 2 2×1024 + 2 = 2050 5 6 0 7 对应于虚拟地址4098的主存地址是什么？
段表
2 段(5K)
1段2页 1 段页表 2段0页 2段1页
用户程序
2 段页表
主存储器
段页式虚拟存储器的地址映象
地址变换方法：
多用户系统中，需要三层表，记录相关信息， 包括段表基址表、段表、页表。 (1) 先查段表，得到该程序段的页表起始地 址和页表长度， (2) 再查页表找到要访问的主存实页号， (3) 最后把实页号p与页内偏移d拼接得到主 存的实地址
组成原理课件 - 虚拟存储器
速4.度在虚拟存储器中，当程序正在执行时，由（ ）完成地址映
射A、程序员
B、编译器
D.装入程序
D.操作系统
5.若某单片机的系统程序不允用户在执行时改变，则可以选用
（ ）作为存储芯片。
A、SRAM
B、flash
C.Cache
Memory D.辅助
存储器
6.程序访问的局限性是使用（
）依据。
A、缓冲
B、
3.段页式虚拟存储器
它是将存储空间按逻辑模块分成段，每段以分成若干个页，这 种访问通过一段表和若干个页表进行。段的长度必须是页长的 数倍，段的起点必须是某一页的起点。在段页式虚拟存储器中 ，拟地址被分为基号、段号、页号、页内地址在进行地址映象 时：先根据基号查找段基址表，从表中查出段表的起始地址， 然后用号从段表中查找该 段的页表的起始地址，然后根据段内 页号在页中查找该页在内存中的起始地址（实页号），同时判 断该段是否入内存，如果该段已装入内存，则从段表中取出实 页号，与页内址字段拼成被访问数据的物理地址。
谢谢
一、填空
1、Cache是指（
）。
2.虚拟存储器是建立在（ ）结构上, 用来解决（ ）的问题
3.将辅助存储器当作主存来使用，从而扩大程序可访问的存储空 间，这样的存储结构称为（ ）。
4、地址映象（射）用来确定（ ）地址和（ ）地址之间的逻辑 关系。
5.常用的地址映射方法有（ ）、（ ）、组相联映射三种。
2、在主存和CPU之间增加Cache的目的是
）。
（A、增加内存容量
B、解决CPU与内存之间的速度匹配问
C.提高内存的可靠性 题 D.增加内存空量，同时加快存取速
3.采用虚拟存储器的主要度目的是（
虚拟储存器的名词解释
虚拟储存器的名词解释虚拟储存器是计算机科学中常用的概念之一，它是一种抽象的、实现在计算机内存和外部硬盘之间的储存机制。
虚拟储存器通过将内存中未使用的部分数据交换到硬盘上，以便释放内存空间供其他程序使用。
它的目的是扩大计算机的有效内存空间，并且使得系统能够同时运行更多的程序。
在本文中，我们将探讨虚拟储存器的工作原理、优点和应用等方面。
虚拟储存器的工作原理是利用操作系统的分页机制。
在操作系统中，将内存划分为大小固定的页面，与之相对应的是外部硬盘上分割成相同大小的页面。
当系统需要更多内存时，操作系统会将未被使用的页面从内存移到硬盘上，以便腾出空间给其他需要使用内存的程序。
这样，计算机系统可以运行大量程序，而不会因内存不足而出现崩溃或运行缓慢的问题。
虚拟储存器的一个重要概念是“页面置换算法”。
当操作系统需要从内存中选择一个页面将其移到硬盘上时，需要根据一定的算法来选择被替换的页面。
常见的算法有最佳(Optimal)算法、先进先出(FIFO)算法和最近最久未使用(LRU)算法等。
这些算法根据不同的指标（如最长未被使用时间、最近使用时间等）来进行页面的选择和置换，以达到最高的系统性能和效率。
虚拟储存器的应用范围非常广泛。
首先是在个人电脑和服务器中，虚拟储存器常用于解决内存不足的问题。
例如，当用户同时运行多个大型软件时，虚拟储存器可以将一部分未被使用的程序数据交换到硬盘中，从而释放内存空间给其他正在运行的程序使用。
其次是在操作系统中，虚拟储存器是实现进程间通信的重要工具。
进程可以通过虚拟储存器来共享数据，提高系统的并发性和协作性。
此外，虚拟储存器还被广泛应用于虚拟机技术、数据库管理系统等领域。
虚拟储存器的优点在于它可以扩大计算机的有效内存空间。
虚拟储存器使得用户无需关注实际物理内存的容量，而只需将更多的数据存储在虚拟内存中。
这样，即使计算机的内存容量有限，仍然可以运行大型的应用程序。
而且，通过虚拟储存器，计算机系统可以更高效地管理内存，提高整体系统的性能和响应速度。
虚拟存储器原理
虚拟存储器原理1. 概述虚拟存储器是一种操作系统提供的抽象概念，它将计算机的物理内存和磁盘空间结合起来，为应用程序提供了一个比实际物理内存更大的地址空间。
虚拟存储器的基本原理是通过将部分数据从内存转移到磁盘上，实现了对物理内存的扩展，并能够在需要时将数据重新调入内存。
虚拟存储器的出现解决了两个主要问题：一是应用程序通常需要比物理内存更大的地址空间，而物理内存受限；二是为了提高系统性能，操作系统可以将不常用的数据置换到磁盘上，以便为常用数据腾出更多的内存空间。
2. 分页机制虚拟存储器使用了分页机制来管理内存和磁盘空间。
在分页机制下，应用程序被划分为大小固定的页面（Page），同样大小的物理内存也被划分为页框（Page Frame）。
每个页面都有一个唯一的标识符，称为页号（Page Number），而每个页框也有一个唯一的标识符，称为页框号（Frame Number）。
当应用程序访问某个页面时，操作系统会通过页表（Page Table）将该页面映射到一个物理地址。
页表是一个数据结构，记录了每个页面对应的物理地址或磁盘上的位置。
当应用程序需要访问某个页面时，操作系统首先查找页表，如果该页面已经在物理内存中，则直接将对应的物理地址返回给应用程序；如果该页面不在物理内存中，则操作系统会将其从磁盘上调入内存，并更新页表。
分页机制的优点是简单、灵活且高效。
它可以将内存和磁盘空间划分为固定大小的块，从而方便管理和调度。
同时，由于每个页面的大小相同，使得操作系统可以更加高效地进行内存分配和回收。
3. 页面置换算法虚拟存储器中最重要的问题之一是如何选择哪些数据被置换到磁盘上。
一般来说，操作系统会根据一定的策略选择最适合置换的页面。
常见的页面置换算法有以下几种：3.1 先进先出（FIFO）先进先出算法是最简单和最直观的置换算法之一。
它按照页面进入内存的顺序进行置换，即最早进入内存的页面被置换出去。
这种算法的缺点是没有考虑页面的访问频率，可能会导致常用的页面被频繁置换出去。
虚拟存储器名词解释
虚拟存储器名词解释
虚拟存储器是一种新兴的计算机技术，它可以将大量的计算机数据储存在一个很小的虚拟存储器中，可以大大提高计算机的存储容量。
虚拟存储器是在一个物理内存中利用一系列技术建立一个虚拟存储器。
由于虚拟存储容量可以大大超过物理存储容量，因此虚拟存储器被认为是一种新兴技术，可以提供计算机比此前更大的存储能力。
虚拟存储器可以被分为两个主要类型，即软件虚拟存储器和硬件虚拟存储器。
软件虚拟存储器是指使用特定的软件来创建和管理物理存储器的过程，它不需要额外的硬件，可以利用已有的物理存储设备，例如磁盘或内存来创建虚拟存储器。
硬件虚拟存储器是一种计算机硬件的技术，它可以利用集成芯片组来模拟一个虚拟存储器，它能够很好地模拟真实的物理存储空间，并且大大提高计算机的存储效率。
虚拟存储器有许多优点，可以有效地提高计算机的性能。
它可以增强计算机的容量，因为它可以大大超过物理存储器的容量，可以使计算机的存储能力更高，同时也可以减少计算机的延迟。
此外，虚拟存储器可以提高程序执行的性能，因为虚拟存储器可以减少计算机操作系统中的信息传输时间，这有助于程序执行的速度。
虚拟存储器也有一些缺点，其中最明显的是，它由于虚拟化而损失了一些性能，这可能会导致程序运行的速度变慢。
同时，虚拟存储器也会增加计算机系统的复杂性，需要更多的资源，从而导致更多的能耗。
总的来说，虚拟存储器是一种新兴的技术，它能够为计算机提供
更大的存储空间，可以提高程序的性能，但也会带来一些缺点。
因此，在使用虚拟存储器时，需要认真考虑其优缺点，以便正确使用虚拟存储器，提高存储效率。
5.5 虚拟存储器
主存地址 实存地址
河南科技大学
虚拟存储器虚实地址变换
明德
博学
日新
笃行
段页式管理方式下的地址变换
在段页式虚拟存储系统中，每道程序是通过一个段表和一组页表来进行 定位的。
段表中每个表目对应一个段，每个表目有一个指向该段的页表起始地址 （页号）及该段的控制保护信息。由页表指明该段各页在主存中的位置以及 是否装入、已修改等状态信息。
地址。 虚拟地址是由编译程序生成的。工作在虚拟地址模式下的CPU理解这些虚拟
地址，并将他们转换为物理地址。 实际上，虚拟存储器的内容是要保存在磁盘上的，因此虚拟地址空间的大小
受辅助存储器容量的限制。
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虚拟存储器的基本概念
明德
博学
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3、虚拟存储器的工作原理
从原理上看，主存—外存层次和cache—主存层次有很多相似之处，他们都 是基于程序局部性原理，把程序最近常用的部分驻留在高速的存储器中；一旦 这部分不常用了，就送回到低速存储器中；这种换入换出是由硬件或操作系统 完成，无需用户干预；最终达到使存储系统的性能接近高速存储器，而价格接 近低速存储器。他们采用的地址映射和替换策略，从原理上看也是相同的。但 是由于磁盘的存取速度是主存的上千倍，而cache的存取速度是主存的5～10倍， 因此在虚拟存储器中未命中的性能损失要远大于cache系统中的损失。
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虚拟存储器虚实地址变换
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页式虚拟存储器地址变换：页式管理下的虚实地址的变换是通过页表实现的。
页表基址寄存器
虚存地址
页面基地址
逻辑页号
页内行地址
+ 有效位 主存页面号
虚拟存储器
虚拟存储器☐虚拟存储器是建立在主存—辅存物理结构的基础之上，由附加的硬件装置存储管理软件虚拟存储器物理存储器不同之处常为几百~几百K字节；不同之处4、主存—cache体系中，CPU与二者都有直接的通路；而虚存中辅存一些硬件进行块的划分及主-辅间调度，所以对设计系统软件的程☐虚地址和实地址☐页式虚拟存储器☐页表（Page Table）0虚页 1虚页 2虚页 3虚页 装入 位 修 改 位 替换控制 其 他 实页号 1 3 19 6 0页 1页 2页 3页 程 序A虚存空间 1页 3页 6页 19页实存空间 页表区中程序A 的页表页表的长度等于该程序虚页数，每一虚页的状况占据页表中一个存储字，叫页表信息字。
1111 装入位为1时，表示该虚页内容已从辅存调入主存，页面有效。
“修改记录位”记录虚页内容在主存中是否被修改过，如果被修改过，则这页在主存被新页覆盖时要把修改的内容写回到虚存去。
“替换控制位：与替换策略有关，如采用LRU ，替换控制位就可以用作计数位，记录这页在主存时被CPU 调用的历史，反映这页在主存的活跃程度。
页表首地址 页表基地址寄存器时间t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 实际命中次数页地址流P1 P2 P1 P5 P4 P1 P3 P4 P2 P4先进先出FIFO算法1 1 1 1* 4 4 4* 4*2 22次2 2 2 2* 1 1 1 1* 45 5 5* 3 3 3 3*调入调入命中调入替换替换替换命中替换替换最久没使用LRU 算法1 1 1 1 1* 1 1 1*2 24次2 2 2* 4 4 4* 4 4 45 5 5* 3 3 3* 3*调入调入命中调入替换命中替换命中替换命中最优替换OPT算法1 1 1 1 1 1* 3* 3* 3 35次2 2 2 2* 2 2 2 2 25* 4 4 4 4 4 4调入调入命中调入替换命中替换命中命中命中Hp = 4/10 = 0.4时间t 1 2 3 4 5 6 7 8 实际命中次数页地址流P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4先进先出FIFO算法1 1 1* 4 4 4* 3 30次2 2 2* 1 1 1* 43 3 3* 2 2 2*调入调入调入替换替换替换替换替换最久没使用LRU算法1 1 1* 4 4 4* 3 30次2 2 2* 1 1 1* 43 3 3* 2 2 2*调入调入调入替换替换替换替换替换最优替换OPT算法1 1 1 1 1* 1 1 13次2 2 2 2 2* 3* 33* 4* 4 4 4 4*调入调入调入替换命中命中替换命中。
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如果程序中的某条指令一旦执行， 则不久以后该指令可 能再次执行；如果某数据被访问过， 则不久以后该数据 可能再次被访问。产生时间局限性的典型原因，是由于 在程序中存在着大量的循环操作。
❖ (2) 空间局限性
一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的 存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地 址，可能集中在一定的范围之内，其典型情况便是程序 的顺序执行。
2019/12/31
虚拟存储器的实现方法
❖存储模式：离散存储 ❖分类
请求分页系统
۩在基本分页系统中增加请求调页和页面置换功能。 ۩硬件支持：请求分页的页表机制、缺页中断机构、
地址变换机构。 ۩软件支持：请求调页程序、页面置换程序。
请求分段系统
۩在基本分段系统中增加请求调段和段置换功能。 ۩硬件和软件支持与请求分页系统类似。
❖多次性
作业可被分为多次调入内存 虚存的主要特征
❖对虚换拟性性以多次性和对换性为基础，后二 者允又许以作离业散换入分换配出为基础。
显著提高内存利用率
❖虚拟性
虚存对内存实行逻辑扩充
2019/12/31
5.1 虚拟存储器概述
1
引入
2
定义和特征
存储器的实现方法
❖程序运行前
仅装入当前要运行的主程序需要的部分页面或 段。
❖程序运行时
若要访问的页（段）已装入内存，继续执行。 若产生缺页或缺段且内存中还有足够的空间，则启动OS
的请求调页（段）功能调入需要的页（段）。 若产生缺页或缺段且内存空间不足时，先启动页（段）
置换功能，将内存中暂时不用的页（段）调出内存，接 着启动请求调页（段）程序调入需要的页（段）。
❖程序执行时具有局部性规律 一程储段序空时执间间行也内局时程限序表于执现某行出个局时区限间域在和。某空段代间码的，局访限问性的存
eg:程序执行时通常是顺序执行，即使执行跳转或过程调用 后，执行轨迹也只不过是转至另外的一个局部区域 更加典型的还有循环结构和对某些数据结构的处理。
2019/12/31
虚拟存储器的引入
2019/12/31
2019/12/31
虚拟存储器的基本工作情况
❖应用程序在运行之前，仅须将那些当前要运 行的少数页面或段，先装入内存便可运行， 其余部分暂留在磁盘上。
❖不在内存的页（或段）调用时，产生缺页 （缺段）中断，然后利用OS所提供的请求调 页（段）功能，将其调入内存，使进程继续 执行下去。
2019/12/31
5.1 虚拟存储器概述
1
引入
2
定义和特征
3
实现方法
2019/12/31
虚拟存储器定义
❖所谓虚拟存储器，指具有请求调入功能和置 换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的 一种存储器系统。
❖虚存的逻辑容量有内外存容量之和决定，运 行速度接近于内存，每位成本接近于外存。
2019/12/31
虚拟存储器的特征
2019/12/31
5.1 虚拟存储器概述
1
引入
2
定义和特征
3
实现方法
2019/12/31
虚拟存储器的引入
❖基本段页式存储管理的缺陷在于作业执行时 必须全部装入内存，使得大型作业被拒绝或 部分作业需要在外存等待。
❖解决办法
物理扩充 逻辑扩充
2019/12/31
虚拟存储器的引入
❖基本存储管理方式的一次性（装入）和驻留 性特征使得作业的响应效率大幅降低。
教学重点
❖虚拟存储器概述（重点） ❖请求分页存储管理方式（理解） ❖页面置换算法（重点） ❖“抖动”与工作集（了解） ❖请求分段存储管理方式（理解）
2019/12/31
第五章 虚拟存储器
❖5.1 虚拟存储器概述 ❖5.2 请求分页存储管理方式 ❖5.3 页面置换算法 ❖5.4 “抖动”与工作集 ❖5.5 请求分段存储管理方式