虚拟存储器
实习五 虚拟存储器实验报告
实习五虚拟存储器实验报告一、实验目的本次虚拟存储器实验旨在深入理解计算机系统中虚拟存储器的工作原理和机制，通过实际操作和观察，掌握虚拟存储器的相关概念和技术，包括页式存储管理、地址转换、页面置换算法等。
同时，培养我们的实践能力和问题解决能力，为今后学习和工作中涉及到的计算机系统相关知识打下坚实的基础。
二、实验环境本次实验使用的操作系统为 Windows 10，开发工具为 Visual Studio 2019，编程语言为 C+＋。
三、实验原理1、虚拟存储器的概念虚拟存储器是一种利用硬盘等辅助存储器来扩充主存容量的技术。
它将程序和数据按照一定的页面大小划分，并在需要时将页面从硬盘调入主存，从而实现了使用有限的主存空间运行较大规模的程序。
2、页式存储管理页式存储管理将主存和辅存空间都划分为固定大小的页面。
程序的地址空间被分成若干页，主存也被分成相同大小的页框。
通过页表来记录页面和页框的对应关系，实现地址转换。
3、地址转换当 CPU 执行指令时，给出的是逻辑地址。
通过页表将逻辑地址转换为物理地址，才能在主存中访问相应的数据。
4、页面置换算法当主存空间不足时，需要选择一个页面换出到硬盘，以腾出空间调入新的页面。
常见的页面置换算法有先进先出（FIFO）算法、最近最少使用（LRU）算法等。
四、实验内容与步骤1、设计并实现一个简单的页式存储管理系统定义页面大小和主存、辅存的容量。
实现页表的数据结构，用于记录页面和页框的对应关系。
编写地址转换函数，将逻辑地址转换为物理地址。
2、实现页面置换算法分别实现 FIFO 和 LRU 页面置换算法。
在页面调入和调出时，根据相应的算法选择置换的页面。
3、测试和分析实验结果生成一系列的访问序列，模拟程序的运行。
统计不同页面置换算法下的缺页次数和命中率。
分析实验结果，比较不同算法的性能。
五、实验过程与结果1、页式存储管理系统的实现我们将页面大小设置为 4KB，主存容量为 16MB，辅存容量为 1GB。
计算机组成原理课件 虚拟存储器
4.2 虚拟存储器
例1：一个程序共有5个页面组成，分别为P1～P5。程序执行过程中的页地 址流（即程序执行中依次用到的页面）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。图中， 用"*"号标记下次将要被替换掉的页面。
4.2 虚拟存储器
内部地址变换：多用户虚拟地址Av变换成贮存实地址A 多用户虚拟地址中的页内偏移量D直接作为主存实地址中的页内偏移d 主存实页号p与它的页内偏移d直接拼接就得到主存是地址A
4.2 虚拟存储器
一个用户程序要访问虚拟存储器时，必须给出多用户虚拟地址Av。在操作系统和 有关硬件的共同管理下，首先进行内部地址变换。 如果变换成功（命中），得到主存实页号p。把主存实页号p与它的页内偏移d直 接拼接起来就得到主存实地址A，访问主存储器。 如果内部地址变换失败（未命中），表示要访问数据不在主存储器中，必须访问 磁盘存储器。这时，进行外部地址变换。 外部地址变换主要用软件实现，首先查外页表得到与虚页号P相对应的磁盘存储 器的实地址，然后再查内页表（主存实页表），看主存储器中是否有空页。如果主 存储器中还有空页，只要找到空页号。把磁盘存储器的实地址和主存储器的实页号 送入输入输出处理机（输入输出通道）等，在输入输出处理机的控制下，把要访问 数据所在的一整页都从磁盘存储器调入到主存储器。 如果主存储器中已经没有空页，则要采用某种页面替换算法，先把主存中暂时不 用的一页写回到磁盘存储器中原来的位置上，以便腾出空位置来存放新的页。 在进行外部地址变换时，如果没有命中，则表示所需要的页还不在磁盘存储器中。 这时，要在操作系统控制下，启动磁带机、光盘存储器等海量存储器，先把与所需 要数据相关的文件从海量存储器中调入磁盘存储器。
虚拟存储器的基本构成
虚拟存储器的基本构成虚拟存储器是计算机系统中的一个重要组成部分，它扩展了计算机的存储容量，提高了系统的性能和可用性。
虚拟存储器由主存储器和辅助存储器两部分组成，通过一系列的管理机制，使得程序能够以透明的方式访问较大容量的存储空间。
1. 主存储器主存储器是虚拟存储器的核心组成部分，也是计算机系统中最快的存储器。
它通常由DRAM（动态随机存取存储器）构成，用于存储当前正在执行的程序和数据。
主存储器通过地址总线和数据总线与CPU直接连接，可以快速地读写数据。
虚拟存储器通过将主存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面（page）来管理主存储器的使用。
2. 辅助存储器辅助存储器是虚拟存储器的扩展部分，它通常由硬盘、固态硬盘（SSD）等设备构成。
辅助存储器的容量远大于主存储器，用于存储不常用的程序和数据。
辅助存储器的读写速度较慢，但它具有持久性，数据不会因为断电而丢失。
虚拟存储器通过将辅助存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面来管理辅助存储器的使用。
3. 页面表页面表是虚拟存储器管理的关键数据结构，用于记录主存储器和辅助存储器之间的映射关系。
每个页面表由多个页表项组成，每个页表项记录了一个页面在主存储器和辅助存储器中的对应位置。
当程序访问一个虚拟地址时，操作系统会通过页面表查找对应的物理地址，并将数据从主存储器或辅助存储器中读取出来。
4. 页面置换算法由于主存储器的容量有限，当主存储器中的页面不足以存放所有正在运行的程序和数据时，就需要使用页面置换算法将部分页面从主存储器中换出到辅助存储器中。
常用的页面置换算法有最佳（OPT）、先进先出（FIFO）、最近未使用（LRU）等。
这些算法根据页面的访问模式和重要性来决定换出哪些页面，以保证系统的性能和可用性。
5. 页面调度算法页面调度算法用于确定哪些页面应该被加载到主存储器中。
常用的页面调度算法有最低频率优先（LFU）、先进先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）等。
虚拟存储器的基本概念
虚拟存储器是为扩大主存而采用 的一种设计技巧，它的容量与主存大 小无直接关系，而受限于计算机的地 址结构及可用的辅助存储器的容量。
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4. 虚拟存储器的容量
• 1一个虚拟存储器的最大容量是由计算机 的 地 址 结 构 确 定 的 。 如 ： 若 CPU 的 有 效 地址长度为32位，则程序可以寻址范围 是0～(2^32)-1 ，即虚存容量为 4GB。
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第三，很少出现连续的过程调用，相反， 程序中过程调用的深度限制在小范围 内，一段时间内，指令引用被局限在 很少几个过程中。
第四，对于连续访问数组之类的数据结 构，往往是对存储区域中相邻位置的 数据的操作。
第五，程序中有些部分是彼此互斥的， 不是每次运行时都用到的，如出错处 理程序。
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3.虚拟存储器的定义： 在具有层次结构存储器的计算机系统中， 具有请求调入功能和置换功能,能从逻辑 上对内存容量进行扩充的存储器系统， 为用户提供一个比物理主存容量大得多 的，可寻址的一种“主存储器”。
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5. 局部性原理
• 程序局部性原理 在一段时间内一个程序的执行往往呈现出 高度的局部性，表现在时间与空间两方面
• 时间局部性： 一条指令被执行了，则在不久的将来它可 能再被执行
• 空间局部性： 若某一存储单元被使用，则在一定时间
内，与该存储单元相邻的单元可能被使用
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第一，程序中只有少量分支和过程调用， 大都是顺序执行的指令。 第二，程序包含若干循环，是由相对 较少的指令组成，在循环过程中，计 算被限制在程序中很小的相邻部分中。
• 2虚拟存储器的容量与主存的实际大小没 有直接的关系，而是由主存与辅存的容量 之和所确定。
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虚拟存储管理主要采用以下技 术实现：
虚拟存储器的都有哪些种类
虚拟存储器的都有哪些种类什么是虚拟存储器虚拟存储器是一种实现了虚拟地址空间与物理地址空间的转换与管理的技术。
实际上，计算机的硬件只能直接寻址有限的物理内存，而虚拟存储器技术可以将一个进程所使用的虚拟地址空间映射到实际物理内存上，从而实现了进程间内存的隔离、进程对内存的高效管理等目标。
虚拟存储器的种类虚拟存储器可以按照其实现方式的不同，分为以下几类：分页式虚拟存储器分页式虚拟存储器是将进程的虚拟地址空间划分为大小相同的若干个页，与此对应的，物理内存也被分成大小相等的若干页帧。
当进程需要访问某个虚拟地址时，虚拟内存管理单元根据该地址的高位部分确定所在的页目录项及页表项，从而得到该虚拟地址对应的物理页帧地址，然后利用物理地址访问实际的内存单元。
分页式虚拟存储器的优点是地址空间的划分更为灵活，页的大小可以根据不同的需求进行调整；而且相对于分段式虚拟存储器，分页式虚拟存储器更为适合大规模的系统，因为页表项存储需要的空间相对较少。
分段式虚拟存储器分段式虚拟存储器是将进程的虚拟地址空间划分为若干个大小不同的段，每个段以开始地址为基址，形成虚拟地址。
与此对应的，物理内存也被分成大小不等的若干段，每个段映射一个虚拟段，从而实现了虚拟地址空间到物理地址空间的映射。
分段式虚拟存储器让不同进程间可以使用相同的地址空间，从而简化了应用程序开发，提升了代码的重用性。
但是，分段式虚拟存储器需要维护大量的段描述信息以及段与页之间的映射关系，这使得在线管理开销很大，因此更适合于小型系统。
段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器是分页式和分段式虚拟存储器的结合体，它将进程的虚拟地址空间划分为若干个段，每个段又被划分成大小相等的若干页。
段页式虚拟存储器既保留了分段式虚拟存储器的优点，也继承了分页式虚拟存储器的灵活性。
段页式虚拟存储器中，虚拟地址空间与物理地址空间之间的转换通过段页表来实现，段页表的每一项都包含了该页在物理地址空间中对应的页框地址以及该页在虚拟地址空间中的地址。
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
虚拟存储器工作原理
虚拟存储器工作原理
虚拟存储器是计算机系统中的一种技术，它通过将磁盘的部分空间用作与主存储器（RAM）交换数据的扩展，以提供更大的可用存储空间。
虚拟存储器工作原理如下：
1. 虚拟存储器将主存储器划分为固定大小的页面（也称为页框），通常是4KB或8KB等大小。
2. 当一个程序被加载到主存储器时，操作系统将其分为固定大小的块，称为页面。
3. 当程序需要访问某个页面时，操作系统会检查该页面是否已存在于主存储器中。
4. 如果所需页面已存在于主存储器中，则程序可以直接访问该页面，无需进行磁盘读取操作。
这是最理想的情况，因为主存储器的访问速度要比磁盘快得多。
5. 然而，如果所需页面不在主存储器中，操作系统会将主存储器中的某个页面（通常是最近最少使用的页面）替换成需要的页面。
替换页面的过程称为页面置换。
6. 被替换出的页面会被写回到磁盘上的一个空闲页面中，以便在后续需要时可以重新加载到主存储器中。
7. 在访问磁盘上的页面并将其加载到主存储器之前，操作系统会通过磁盘存储器管理单元（MMU）进行地址转换，以确保正确访问到磁盘上的页面。
通过使用虚拟存储器，计算机系统可以充分利用磁盘空间来扩展主存储器的大小。
这样，即使计算机系统的物理内存有限，也可以运行更大的程序或处理更多的数据，而不会出现严重的
内存不足问题。
虚拟存储器的工作原理可以使计算机系统在物理内存有限的情况下更加灵活和高效地管理内存资源。
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
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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
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虚拟存储器：
是计算机系统内存管理的一种技术。
它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。
Windows中运用了此技术，即匀出一部分硬盘空间来充当内存使用。
当内存耗尽时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。
若计算机运行程序或操作所需的随机存储器(RAM)不足时，则Windows 会用虚拟存储器进行补偿。
它将计算机的RAM和硬盘上的临时空间组合。
当RAM运行速率缓慢时，它便将数据从RAM移动到称为“分页文件”的空间中。
将数据移入分页文件可释放RAM，以便完成工作。
一般而言，计算机的RAM容量越大，程序运行得越快。
若计算机的速率由于RAM可用空间匮乏而减缓，则可尝试通过增加虚拟内存来进行补偿。
但是，计算机从RAM读取数据的速率要比从硬盘读取数据的速率快，因而扩增RAM容量（可加内存条）是最佳选择。
缓存与虚拟存储器差别：
（1）缓存替换由硬件完成，后者有操作系统完成
（2）虚拟存储器max空间由cpu地址字段大小决定，前者与之无关。
（3）虚拟存储器>>缓存（10-1000000倍）。
调度方式有分页、分段、段页式。
段页式调度（虚拟地址到物理地址映射）：
虚拟存储器缺失：
虚存代价涉及访问磁存，这部分代价很高。