虚拟存储器的基本构成

虚拟存储器的基本原理虚拟存储器是一种计算机系统的组成部分，它扩展了计算机的主存储器，使得计算机可以同时执行更多的程序，提高了计算机的性能和效率。

虚拟存储器的基本原理包括内存管理、地址转换、页面置换和磁盘交换等。

首先，虚拟存储器的内存管理是通过将主存划分成固定大小的块，称为页（Page），与此同时，将磁盘划分成与页大小相等的块，称为页框（Page Frame）。

当一个程序被加载到内存时，将会依次将程序的页放入内存的页框中。

这种将程序划分为页的方式称为分页管理。

虚拟存储器的核心概念是虚拟地址和物理地址的转换。

每个进程都有自己的虚拟地址空间，虚拟地址是由进程所见到的地址，而不是物理内存的地址。

虚拟地址由两部分组成，即页号和页内偏移。

页号表示进程中的某个页面，页内偏移表示页面中的具体位置。

虚拟地址被通过一种页表机制转换为物理地址。

页面置换是虚拟存储器中重要的一环。

由于程序的页可能无法一次加载到内存中，因此当一个程序在执行过程中需要访问一个尚未调入内存的页面时，就会发生缺页中断（Page Fault）。

操作系统会根据缺页中断处理程序来选择进行页面置换。

常用的页面置换算法有最佳置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）、最近最久未使用置换算法（LRU）等。

磁盘交换是虚拟存储器中的重要机制。

当物理内存不足以容纳所有的进程或者进程所需的数据时，操作系统会将一部分进程或者数据从内存交换到磁盘上，以释放物理内存空间给其他进程使用。

这种将页面从内存交换到磁盘的过程称为页面换出（Page Out），相反的过程称为页面换入（Page In）。

通过磁盘交换，计算机可以在有限的物理内存下运行更多的任务。

虚拟存储器的使用带来了诸多优势。

首先，它能够扩展主存的容量，使得计算机可以执行更多的程序。

其次，虚拟存储器可以提高内存的利用率，避免内存浪费。

同时，它允许多个进程共享同一份代码，减少内存占用。

另外，虚拟存储器还可以实现对进程的保护和隔离，使得不同的进程在执行过程中不会相互干扰。

计算机操作系统第五章-虚拟存储器分解第五章虚拟存储器第一节虚拟存储器的基本概念一、虚拟存储器的引入在前面介绍的各种存储管理方式中，用户作业一旦被装入内存，就会一直驻留其中，直到进程运行结束(驻留性)。

有些存储管理方式还存在一次性。

因此，用户作业要最终运行完毕，系统必须给它提供不短于作业长度的存储空间。

于是就出现了两种问题：长作业无法运行大量作业无法同时运行程序运行的局部性原理：在一段时间内一个程序的执行往往呈现出高度的局部性。

前期讨论：P112-113；局部性还表现在两方面：(1) 一条指令被执行，则不久以后该指令很可能再次执行；某个数据被访问，则不久以后该数据附近的数据很可能被访问。

产生这类局部性的典型原因，是由于在程序中存在着大量的循环操作。

(2) 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。

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很可能被使用。

其典型情况便是程序的顺序执行、数组的处理等。

局部性原理是在存储分配时克服驻留性、实现虚拟存储的依据。

二、虚拟存储器的定义定义：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一种存储器系统。

其访问速度接近于内存，而其容量和每位的成本却又接近于外存。

特性：虚拟存储器连续性离散性一次性多次性驻留性交换性虚拟性对用户而言，它访问特性和内存一样；它以CPU时间和外存空间换取宝贵内存空间，是操作系统中的一种资源转换技术。

容量：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的有效地址宽度为32位，则程序可以寻址范围是0～232-1 ，即虚存容量可达4GB。

虚拟存储器的容量与主存的实际大小没有直接的关系，而是在主存与辅存的容量之和的范围内。

三、虚拟存储技术基本原理：P115把内存与外存有机地结合起来使用，从而得到一个容量很大的“内存”。

当进程开始运行时，先将它的一部分内容装入内存，另一部分暂时留在外存。

在运行过程中，当要访问的指令/数据不在内存时，由OS 自动将内存中的一些内容调到外存，藤出空间，再将马上要访问的内容从外存调入内存。

虚拟存储的工作原理
虚拟存储是一种计算机系统中的内存管理技术，它允许程序直接使用磁盘空间作为虚拟内存的扩展。

虚拟存储的工作原理如下：
1. 虚拟内存划分：操作系统将物理内存和磁盘空间分成固定大小的块，称为页面（Page）。

每个页面可以映射到内存或磁盘上的特定位置。

操作系统还将虚拟内存划分为等大小的虚拟页（Virtual Page）。

2. 页面置换：当系统运行程序需要更多内存资源时，如果物理内存已满，操作系统会根据一定的置换算法，选择一些页面从内存中置换到磁盘上。

被置换的页面暂时存储在磁盘的交换空间中。

3. 地址转换：程序中的指令和数据使用虚拟地址进行访问，这些虚拟地址被映射到物理地址上。

在每次访问内存时，硬件上的内存管理单元（MMU）会将虚拟地址转换为物理地址。

4. 页面错误处理：当程序访问的页面在物理内存中不存在时，就会发生页面错误（Page Fault）。

操作系统会根据页面错误的原因，将相应的页面从磁盘加载到内存中，并更新页表，使得虚拟地址可以正确映射到物理地址。

5. 页面置换策略：常见的页面置换策略包括最佳置换算法（OPT），先进先出算法（FIFO），最近最久未使用算法（LRU）等。

这些算法根据页面的使用情况，选择最适合置换
的页面，以尽量减少页面错误次数。

通过这种虚拟存储的工作原理，系统可以在较小的物理内存容量下运行更大的程序，提高了计算机系统的资源利用率和运行效率。

操作系统--虚拟存储操作系统虚拟存储在当今的计算机世界中，操作系统扮演着至关重要的角色，它就像是一位幕后的大管家，默默地管理着计算机的各种资源，让我们能够高效、便捷地使用计算机完成各种任务。

而在操作系统众多的功能中，虚拟存储技术无疑是一颗璀璨的明珠，为计算机的性能提升和资源管理带来了巨大的变革。

那么，什么是虚拟存储呢？简单来说，虚拟存储就是一种将物理内存和外部存储（如硬盘）结合起来，为用户提供一个比实际物理内存更大的地址空间的技术。

在没有虚拟存储的情况下，计算机程序能够访问的内存空间大小是由物理内存的大小决定的。

但是，物理内存的容量是有限的，这就限制了计算机能够同时运行的程序数量和规模。

而虚拟存储技术的出现，打破了这个限制，让计算机能够“假装”拥有比实际更多的内存。

想象一下，你正在使用电脑同时运行多个程序，比如浏览器、办公软件、音乐播放器等等。

如果没有虚拟存储，当这些程序所需要的内存总和超过了物理内存的容量时，系统就会变得非常卡顿，甚至可能会崩溃。

但是有了虚拟存储，操作系统会将暂时不使用的程序数据和代码保存到硬盘上，当需要再次使用时再重新加载到内存中，从而为正在运行的程序腾出更多的内存空间。

虚拟存储技术主要通过分页和分段两种方式来实现。

分页是将内存空间和程序的地址空间都划分成固定大小的页，而分段则是根据程序的逻辑结构将其划分成不同的段。

无论是分页还是分段，它们的目的都是为了更好地管理内存，提高内存的利用率。

在分页系统中，当程序需要访问某个页面时，如果该页面不在内存中，就会触发缺页中断。

操作系统会将所需的页面从硬盘加载到内存中，并更新页表，让程序能够继续正常运行。

这个过程对于用户来说是完全透明的，用户感觉不到页面的换入换出，仿佛一直在使用一个巨大的连续内存空间。

分段系统则更侧重于根据程序的逻辑结构来划分内存。

比如，一个程序可以分为代码段、数据段、堆栈段等。

这样的划分方式更符合程序的实际需求，也便于对程序进行管理和保护。

计算机中存储单元的硬件结构
计算机中存储单元的硬件结构通常由存储器模块、存储器控制器和存储器总线组成。

1. 存储器模块：存储器模块是存储数据的物理部分，包括主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、SSD等）。

主存储器用
于临时存储正在执行的程序和数据，而辅助存储器则用于永久存储数据和程序，以便在断电后不丢失。

2. 存储器控制器：存储器控制器是负责管理存储器模块的硬件组件，将CPU发送的读写指令转化为存储器操作。

它负责选
择特定的存储单元，并控制存储器进行数据的读取和写入操作。

3. 存储器总线：存储器总线是连接存储器模块和存储器控制器的物理通道，用于传输控制信号和数据。

存储器总线的宽度决定了一次能读写的位数，通常以字节为单位。

总之，存储单元的硬件结构包括存储器模块、存储器控制器和存储器总线，它们协同工作来实现计算机对数据的存储和读写操作。

计算机系统虚拟存储基础知识计算机系统中，虚拟存储是一项重要的技术，用于解决内存不足的问题。

本文将介绍计算机系统虚拟存储的基础知识，并探讨其原理、优点以及在实际应用中的具体应用。

一、虚拟存储的定义与原理虚拟存储是一种计算机系统中的存储管理技术，它允许程序使用比实际内存容量更大的存储空间。

在虚拟存储中，物理内存被划分成固定大小的块称为页，而程序则被划分成同样大小的块称为页框或页面。

通过将物理内存中的页面映射到磁盘上的虚拟存储空间，操作系统可以在程序运行时动态地将其加载到内存中。

虚拟存储的原理基于页表，它记录了页面在磁盘上的位置以及在内存中的映射关系。

当程序访问某个页面时，操作系统会首先查找页表，如果发现该页面已经在内存中，则直接访问；如果该页面不在内存中，则操作系统会将其从磁盘上加载到内存，并更新页表。

通过这种机制，虚拟存储可以将磁盘上的数据作为辅助存储器，扩展实际内存的容量。

二、虚拟存储的优点1. 提高系统的可用性：虚拟存储允许程序使用比实际内存容量更大的存储空间，减少了内存耗尽导致系统崩溃的风险。

2. 简化程序设计：由于虚拟存储为每个程序提供了一块连续的内存空间，程序员无需关注底层内存管理，可以更加专注于程序的逻辑设计。

3. 提高内存利用率：虚拟存储可以根据程序的需要，动态地将页面加载到内存中，减少了内存空间的浪费。

三、虚拟存储的具体应用1. 多任务操作系统：虚拟存储使得多个程序可以同时运行，每个程序都有自己的虚拟地址空间，相互之间不会干扰。

2. 虚拟化技术：虚拟存储是实现虚拟化技术的基础，通过为每个虚拟机提供独立的虚拟地址空间，可以实现多个虚拟机在同一台物理机上同时运行。

3. 内存管理：虚拟存储使得操作系统可以更加高效地管理内存，包括页面置换、内存回收等操作。

四、虚拟存储的实现方式虚拟存储可以通过多种方式来实现，其中最常见的是分页式虚拟存储和分段式虚拟存储。

1. 分页式虚拟存储：将物理内存和虚拟内存都划分成固定大小的块（页），通过页表将这些块进行映射。

联想存储器虚拟存储器的分类介绍虚拟存储器可以分为三类:页式、段式和段页式。

在页式虚拟存储器中通过把主存空间和程序空间都机械等分成固定大小的页(页面大小随机器而定，一般为4KB到4MB)，按页顺序编号，用相应的映像表机构来指明该程序的某页是否已经装入主存。

若已经装入主存，则应同时指明其在主存中所处的位置;如果未装入主存，则去辅存中调页，并建立起程序空间和实存空间的地址映像关系。

这样，程序执行时通过查映像表将程序地址(虚拟地址)变换成实际主存地址(物理地址)再访问主存。

此存储系统具有主存的速度和辅存的容量，提高了存储器系统的性能价格比。

CPU直接访问主存，主存与辅存之间的信息交换由操作系统和硬件来完成，这种把辅存看作是主存的一部分，以扩大主存容量的技术，称之为虚拟技术。

用虚拟技术设计的存储器，称为虚拟存储器。

这些主存与辅存之间实际存在的操作和辅助软、硬件，对应用程序设计者来讲是透明的。

但虚拟存储器对系统程序员来讲基本上是不透明的，只是某些部分(如虚拟地址到主存地址的变换)由于采用硬件实现才是透明的。

虚拟地址--又称逻辑地址，是指访问虚拟空间的地址。

由于指令中给出的地址码是按虚存空间来统一编址的，因此指令的地址码实际上是虚拟地址。

物理地址--是指访问主存空间的地址为了给用户提供更大的随机存取空间而采用的一种存储技术。

它将内存与外存结合使用，好像有一个容量极大的内存储器，工作速度接近于主存，每位成本又与辅存相近，在整机形成多层次存储系统。

虚拟存储器源出于英国ATLAS计算机的一级存储器概念。

这种系统的主存为16千字的磁芯存储器，但中央处理器可用20位逻辑地址对主存寻址。

到1970年，美国RCA公司研究成功虚拟存储器系统。

IBM公司于1972年在IBM370系统上全面采用了虚拟存储技术。

虚拟存储器已成为计算机系统中非常重要的部分。

虚拟存储器是由硬件和操作系统自动实现存储信息调度和管理的。

它的工作过程包括6个步骤:①中央处理器访问主存的逻辑地址分解成组号a和组内地址b，并对组号a 进行地址变换，即将逻辑组号a作为索引，查地址变换表，以确定该组信息是否存放在主存内。