虚拟存储器

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。

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。

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。

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。

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。

虚拟存储器名词解释
虚拟存储器是一种计算机系统中的存储技术，它在物理内存的基础上提供了一种扩展的机制，能够创建一个比实际物理内存更大的地址空间，以满足程序运行时的存储需求。

在计算机系统中，每个程序运行时都需要占用一定的内存空间来存储代码、数据和运行时状态。

然而，物理内存的容量是有限的，无法满足所有程序的需求。

为了解决这个问题，虚拟存储器被设计出来。

虚拟存储器通过将物理内存和硬盘之间的存储空间进行分割和管理，提供了一个大于物理内存容量的地址空间。

它将一部分物理内存称为主存，用于存储当前正在运行的程序和数据；而将另一部分称为辅存，用于存储当前不需要的程序和数据。

当程序需要访问不在主存中的数据时，虚拟存储器会将相应的数据从辅存中换入主存，以供程序使用。

而当主存空间不足时，虚拟存储器则会将一部分主存中的数据置换到辅存中，以腾出空间给新的数据。

虚拟存储器的好处是，它使得程序能够访问一个比实际物理内存更大的地址空间，从而能够运行更大规模的程序。

它还能够提高系统的性能，因为它允许多个程序同时运行，而不是等待物理内存空间的释放。

然而，虚拟存储器也存在一些问题。

首先，由于辅存的访问速度比主存慢得多，所以虚拟存储器的访问延迟较高。

其次，虚拟存储器需要操作系统的支持，因此需要消耗一定的系统资源。

总的来说，虚拟存储器是一种重要的存储技术，它通过对物理内存和辅存的合理管理，扩展了计算机系统的存储能力，提高了系统的灵活性和性能。

它在现代操作系统中得到广泛应用，并成为了支持大规模程序运行的关键技术之一。