虚拟存储器的实现
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。
页式虚拟存储器的工作原理
页式虚拟存储器的工作原理页式虚拟存储器是一种通过将磁盘空间作为内存的扩展来增加计算机可用内存的技术。
它允许计算机运行比物理内存更大的程序，并且可以在需要时将数据从磁盘移动到内存中。
在本文中，我们将探讨页式虚拟存储器的工作原理和实现方式。
一、页式虚拟存储器的概念页式虚拟存储器是指一种采用分页技术管理内存和磁盘的技术。
它分为内存页和磁盘页两部分，内存页是为了进程运行而存在的，磁盘页是为了在内存不够的时候将其置换到磁盘上而存在的。
当程序需要访问某一部分数据的时候，CPU会根据页表将数据从磁盘移动到内存中，然后再访问内存中的数据。
这种技术可以有效地增加计算机的可用内存，并且可以提高程序的运行效率。
二、页式虚拟存储器的工作原理1.内存页和磁盘页内存页是虚拟存储器中的一个概念，它用来表示物理内存中的一个固定大小的数据块。
通常情况下，内存页的大小是2的幂次方，比如4KB或者8KB。
磁盘页是虚拟存储器中的另一个概念，它用来表示在磁盘上的一个固定大小的数据块，通常情况下，磁盘页的大小和内存页的大小相同。
2.页表页表是虚拟存储器的核心数据结构，它用来将虚拟地址映射到物理地址。
当程序运行时，CPU会根据虚拟地址访问内存中的数据，而页表会将虚拟地址转换成物理地址。
如果所需的数据不在内存中，CPU会引发一个缺页中断，操作系统会根据页表将数据从磁盘移动到内存中，然后再由CPU访问内存中的数据。
3.页式置换算法页式虚拟存储器采用了页式置换算法来管理内存和磁盘之间的数据移动。
当内存不够时，操作系统会根据一定的置换算法将内存中的某些数据移到磁盘上，从而给新的数据腾出空间。
常用的页式置换算法包括最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）、时钟置换算法等。
4.缺页中断处理当程序需要访问内存中的数据但是数据不在内存中时，CPU会引发一个缺页中断，操作系统会根据页表将数据从磁盘移动到内存中。
这是页式虚拟存储器的核心操作之一，它保证了程序在内存不够的情况下也能正常运行。
虚拟存储器的实现方法
虚拟存储器的实现方法虚拟存储器（Virtual Memory）是一种计算机系统中的重要组成部分，它提供了比物理内存更大的可用空间，使得程序能够更高效地运行。
虚拟存储器的实现方法有多种，本文将重点介绍其中的两种方法：页面置换和请求分页。
页面置换是虚拟存储器的一种常见实现方法。
它将内存划分为一系列大小相等的页面，每个页面包含一定数量的字节。
当程序需要加载一个页面时，操作系统会将该页面从磁盘中读取到内存中的某个空闲区域。
当内存空间不足时，操作系统需要进行页面置换，将某些页面从内存中换出，以便为新的页面腾出空间。
页面置换算法有很多种，常见的有最近最少使用（LRU）算法和先进先出（FIFO）算法。
另一种实现虚拟存储器的方法是请求分页。
这种方法将内存划分为固定大小的块，称为页框。
每个页框可以容纳一个页面。
当程序需要访问一个页面时，它会向操作系统发送一个请求，请求操作系统将所需的页面加载到一个空闲的页框中。
如果内存中没有空闲的页框，操作系统需要进行页面置换，将某些页面换出到磁盘上的交换空间，以为新的页面腾出空间。
页面置换和请求分页是虚拟存储器的两种常见实现方法，它们各有优缺点。
页面置换的优点是实现简单，适用于对实时性要求不高的系统。
但是，页面置换会导致频繁的磁盘访问，影响系统性能。
请求分页的优点是可以根据程序的需求动态调整内存的使用，提高系统的性能。
但是，请求分页的实现较为复杂，需要更多的硬件支持。
除了页面置换和请求分页，还有其他一些实现虚拟存储器的方法。
例如，段式存储器将程序分为若干个逻辑段，每个段可以有不同的长度。
段式存储器可以更好地适应程序的特点，提高存储器的利用率。
另外，还有分段分页存储器、段页式存储器等不同的实现方法，它们针对不同的应用场景，提供了不同的优化策略。
虚拟存储器的实现方法对计算机系统的性能和可靠性有着重要影响。
合理选择实现方法，可以提高系统的运行效率和稳定性。
同时，虚拟存储器的实现也需要考虑硬件和软件的配合，需要操作系统和硬件之间的紧密协作。
虚拟存储器的实现方法
虚拟存储器的实现方法
虚拟存储器是操作系统中的一个重要概念，用于扩展计算机的物理内存。
虚拟存储器的实现方法可以基于以下几种技术：
1. 分页机制：将物理内存和虚拟内存划分为固定大小的页，并将虚拟内存中的页面映射到物理内存中的页。
通过页面替换算法（如最近最久未使用算法）将虚拟内存中的页面从磁盘中加载到物理内存中的空闲页面，从而实现虚拟内存的扩展。
2. 分段机制：将程序按照逻辑结构划分为不同的段，每个段有不同的长度，可以动态地加载到物理内存中。
通过段表将虚拟内存中的段映射到物理内存中的段，并根据需要进行加载和替换。
3. 页面置换算法：虚拟存储器在物理内存空间不足时，需要选择一些页面置换出物理内存，从而将新的页面加载进来。
常见的页面置换算法包括FIFO（先进先出）、LRU（最近最久未
使用）、LFU（最不经常使用）等。
4. 页面回写机制：当页面被替换出物理内存时，如果其中的数据已被修改，需要将数据回写到磁盘中，以保持数据的一致性。
5. 页面预调度机制：根据程序运行的局部性原理，预测将来可能访问的页面，并提前将这些页面加载到物理内存中，减少缺页异常的发生。
需要注意的是，虚拟存储器的实现方法是操作系统的核心功能
之一，具体的实现方式会受到硬件架构、操作系统设计等多个因素的影响。
不同的操作系统可能会采用不同的实现方法来满足自身的需求。
虚拟存储器实现方法
虚拟存储器实现方法
虚拟存储器是一种计算机存储管理技术，它将计算机内存和硬盘之间的空间组合起来，使得在程序执行时，无需将所有数据都加载到内存中，从而减少了内存的使用量，提高了计算机的效率。
实现虚拟存储器的方法主要有以下几种：
1. 分页式虚拟存储器：将程序的内存分成若干个固定大小的页框和若干个大小相等的页，将页和页框之间建立映射关系，程序需要的页会被加载到内存中，未使用的页会被保存在硬盘上，当程序需要未加载的页时，会通过页表找到对应的页框，并将页框中的内容加载到内存中。
2. 分段式虚拟存储器：将程序的内存分成若干个大小不同的段，每个段都有唯一的标识符，程序需要的段会被加载到内存中，未使用的段会被保存在硬盘上，当程序需要未加载的段时，会通过段表找到对应的段，并将段中的内容加载到内存中。
3. 页面换入换出技术：当内存不足时，操作系统会根据一定的策略将部分内存中的数据保存到硬盘上，将所有空闲的内存用于程序的执行，当程序需要访问硬盘上的数据时，操作系统会根据一定的策略将部分内存中的数据替换出去，将需要的数据从硬盘上加载到内存中。
4. 页面置换算法：当内存不足时，如何选择哪些数据需要被置换出去？这需要根据一定的算法来进行选择，常见的算法有FIFO算法、最近最少使用算法、最不常用算法等。
虚拟存储器是计算机操作系统中的重要组成部分，它可以有效地提高计算机的效率和性能，同时也为程序员提供了更大的空间来实现复杂的程序。
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
虚拟存储器的工作原理
虚拟存储器的工作原理
虚拟存储器是一种计算机内存管理技术，它通过将应用程序所需的数据和指令分为多个页面（或称为块或帧）来实现。
虚拟存储器的工作原理包括以下几个步骤：
1. 分页：将应用程序的内存划分为固定大小的页面，通常为
4KB或8KB。
每个页面都有一个唯一的页面编号。
2. 页面映射：将每个页面映射到物理内存的一个帧（或页框），帧的大小与页面大小相同。
这个映射关系被记录在页表中，页表保存在主存储器中。
3. 页面调度：当应用程序需要访问内存中的某个页面时，先检查页表。
如果该页面已经在物理内存中，则直接访问对应的物理地址；如果该页面不在物理内存中，则发生页面错误（缺页错误）。
4. 页面置换：当发生页面错误时，操作系统需要选择一个页面来替换出去，以腾出空间来加载所需的页面。
常见的页面置换算法有最近最少使用（LRU）和先进先出（FIFO）。
5. 页面加载：一旦选择了要换出的页面，操作系统会从外部存储（如硬盘）中加载所需的页面，并更新页表中的映射关系。
6. 页面更新：当应用程序对页面进行写操作时，会先将数据写入缓存页面（缓冲区），然后再由操作系统将缓存页面写回到
外部存储。
虚拟存储器的工作原理使得应用程序能够访问比物理内存更大的内存空间，而且不需要将所有数据一次性加载到内存中。
这种分页和页面调度的技术可以提高程序的整体性能，并且允许多个应用程序同时运行，因为它们不会相互干扰彼此的内存空间。
简述实现虚拟存储器的基本原理
简述实现虚拟存储器的基本原理虚拟存储器是计算机系统中一种技术，可以将物理内存和磁盘空间组合使用，使得计算机系统可以处理大型程序和数据集。
它的基本原理是将物理内存中未使用或频繁不用的部分换出到磁盘中，以增加可用物理内存空间。
当程序需要这些数据时，虚拟存储器会将其换入物理内存。
下面将介绍实现虚拟存储器的基本原理。
一、分段和分页实现虚拟存储器的首要任务是对物理内存和磁盘空间进行分割，以便于管理。
分段和分页是两种基本的内存管理技术。
分页将物理内存空间划分为固定大小的块，称为页面，而分段则将内存空间分为不同段，每个段具有不同的长度和属性。
虚拟存储器的实现通常采用分页技术，因为它可以更好地利用内存空间。
二、页面交换在虚拟存储器中，磁盘空间被称为页面文件，操作系统会将物理内存中的页面换出到页面文件中，以空出空间。
当程序需要访问这些页面时，操作系统会将页面从磁盘中换入到物理内存中。
这个过程被称为页面交换。
页面交换的首要目的是增加可用的物理内存空间。
每个程序使用的内存不能超过物理内存的大小，因此，操作系统必须决定哪些页面需要换出，以便于后续的访问。
三、页面置换算法在虚拟存储器中，操作系统必须确定哪些页面需要换出，并决定哪些页面需要换入，这个过程是页面置换算法。
页面置换算法的目的是将频繁不用或未使用的页面换出到磁盘中，以便于释放物理内存空间。
常见的页面置换算法有FIFO、LRU和钟表算法，它们各自有不同的实现细节和效率。
FIFO算法通过维护一个页面队列来确定需要换出的页面，LRU算法则使用页面访问时间来确定页面的访问频率。
钟表算法可以更好地处理循环访问问题。
四、页面保护机制虚拟存储器还需要有页面保护机制，以确保程序之间的内存不受到互相干扰。
页面保护机制需要暴露页面是否可以被访问的信息，以及访问权限是否正确。
当程序访问一个页面时，操作系统会检查该页面是否被保护，以及访问权限是否正确。
如果访问权限不正确，操作系统会产生一个异常，以防止程序继续访问这个页面。
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物理扩充
虚拟存储器是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。
• 其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定， 其运行速度接近于内存，而每位的成本又接近于 外存。
请求段页式
• 段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式虚 拟存储器的结合。它把程序按逻辑单位分段以 后，再把每段分成固定大小的页。主存空间也 划分为若干个同样大小的页。虚存和实存之间 以页为基本传送单位，每个程序对应一个段表， 每段对应一个页表。虚地址包含段号、段内页 号、页内地址三部分。CPU访问时，首先将段表 起始地址与段号合成，得到段表地址，然后从 段表中取出该段的页表起始地址，与段内页号 合成，得到页表地址，最后从页表中取出实页 号，与页内地址拼接形成主存实地址。
页式虚拟存储器的地址映射过程
请求段式 • 请求分段系统是在分段存储管理方式的基础 上增加了请求调段及分段置换功能而形成的 段式虚拟存储系统，只需装入部分程序和数 据进程即可启动运行，以后出现缺段时再动 态调入。实现请求分段同样需要请求分段的 段表机制、缺段中断机构、地址变换机构等 软硬件支持。
段式虚拟存储器的地址映射过程
虚拟存储器
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为什么要采用虚拟存储器技术？
• 常规的存储器的管理方式具有一个共同特点， 即要求将一个作业全部装入内存后才能运行， 所以出现了以下两个问题 • 1.作业过大，所需内存空间超过内存总容量， 作业不能完全装入内存，致使该作业无法运行
特点
段页式虚拟存储器综合了页式和段式的优点，但 是由于在由虚地址向主存地址的映射过程中需要 多次查表，因而实现复杂度较高．
实现方法
• 虚拟存储器的实现都是建立在离散分配存储 管理方式的基础上，有以下三种方法：
请求页式
请求段式
请求段页式
请求页式
• 请求分页系统是在分页存储管理方式的基 础上增加了请求调页功能、页面置换功能 所形成的页式虚拟存储系统。程序启动运 行时装入部分用户程序页和数据页，在以 后的运行过程中，访问到其他逻辑页时， 再陆续将所需的页调入内存。请求调页和 置换时，需要页表机构、缺页中断机构、 地址变换机构等软硬件支持。