操作系统虚拟存储器
操作系统-存储管理（4）段页式虚拟存储
操作系统-存储管理（4）段页式虚拟存储物理地址：⼜称绝对地址，即程序执⾏所使⽤的地址空间（处理器执⾏指令时按照物理地址进⾏）逻辑地址：⼜称相对地址，即⽤户编程所使⽤的地址空间，从0开始编号，有两种形式：⼀维逻辑地址（地址）⼆维逻辑地址（段号:段内地址）主存储器空间的分配与去配：分配：进程装⼊主存时，存储管理软件进⾏具体的主存分配操作，并设置⼀个表格记录主存空间的分配情况去配：当某个进程撤离或主动归还主存资源时，存储管理软件要收回它所占⽤的全部或者部分存储空间，调整主存分配表信息主存储器空间的共享：多个进程共享主存储器资源：多道程序设计技术使若⼲个程序同时进⼊主存储器，各⾃占⽤⼀定数量的存储空间，共同使⽤⼀个主存储器多个进程共享主存储器的某些区域：若⼲个协作进程有共同的主存程序块或者主存数据块多道程序设计需要复⽤主存：按照分区复⽤：主存划分为多个固定/可变尺⼨的分区，⼀个程序/程序段占⽤⼀个分区按照页架复⽤：主存划分成多个固定⼤⼩的页架，⼀个程序/程序段占⽤多个页架装载程序/加载器（loader）把可执⾏程序装⼊内存的⽅式有：绝对装载可重定位装载动态运⾏时装载地址转换：⼜称重定位，即把可执⾏程序逻辑地址转换成绝对地址，可分为：静态地址重定位：由装载程序实现装载代码模块的加载和地址转换（⽆需硬件⽀持），把它装⼊分配给进程的内存指定区域，其中所有指令代码和数据的逻辑地址在执⾏前⼀次全部修改为内存物理地址。
早期单任务单⽤户OS使⽤。
动态地址重地位：由装载程序实现装载代码模块的加载，把它装⼊进程的内存在指定区域，但对链接程序处理过的应⽤程序逻辑地址不做修改，程序内存起始地址被置⼊重定位寄存器（基址寄存器）。
程序执⾏过程中每当CPU访问程序和数据引⽤内存地址时，由硬件地址转换机构截取此逻辑地址并加上重定位寄存器的值。
运⾏时链接地址重定位存储保护：为避免主存中的多个进程相互⼲扰，必须对主存中的程序和数据进⾏保护。
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。
《计算机操作系统》虚拟存储管理
7.2 请求分页存储管理
7.2.1 工作原理 7.2.2 驻留集管理 7.2.3 调页策略 7.2.4 页面置换算法
7.2.1工作原理
♦ 若内存中没有可用的物理块，则还需根据页面置 换算法淘汰一些页，若淘汰的页曾做过改动，还 需将此页重写回外存，最后将缺页调入内存指定 的物理块。
开始
根据页表记录的外 存始址找到缺页
内存有可用 Y 物理块吗?
N 由页面置换算法选
择一页换出 Y
N 该页被改动 过吗？ Y
将该页写回外存
启动磁盘I/O，从外 存读入缺页
►显然，一方面，内存中存在一些不用或暂时不用的程序占据了大量的内存 空间；另一方面，一些需要运行的程序因没有足够的内存空间而无法装入 内存运行。
►人们不禁考虑，“一次性”和“驻留性”在程序运行时是否是必要的？
7.1.1 引入背景
2.局部性原理
►程序在执行时，在一段时间内，CPU总是集中地访问程序中的某一个部分 而不是随机地对程序所有部分具有平均访问概率，这种现象称为局部性原 理。局部性表现在下述两个方面：
7.2.3 调页策略
►调页策略用于确定何时将进程所需的页调入内存。常用的调页策略有： ♦ 预调页策略 ● 系统预测进程接下来要访问的页，将一个或多个页提前调入内存。 ● 常用的预测原理是局部性原理，即每次调页时，将相邻的若干个页 一并调入内存。 ♦ 请求调页策略 ● 发生缺页时，再将其调入内存的方法。 ● 实现简单，增加磁盘I/O开销。
♦ 状态位：用于表示该页是否已调入内存。若没有调入内存，则产生一个 缺页中断。
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。
虚拟内存
计算机系统内存管理的技术
01 简介
03 调度方式
目录
02 工作原理 04 虚拟存储地址变换
目录
05 的关键问题
07 相关概念
06 设置
虚拟内存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。大多数操作系统都使用了虚拟内存，如Windows家族的“虚拟内存”；Linux的“交换空间” 等。
相关概念
的访问过程
实地址与虚地址
异构体系
用户编制程序时使用的地址称为虚地址或逻辑地址，其对应的存储空间称为虚存空间或逻辑地址空间；而计 算机物理内存的访问地址则称为实地址或物理地址，其对应的存储空间称为物理存储空间或主存空间。程序进行 虚地址到实地址转换的过程称为程序的再定位。
虚存空间的用户程序按照虚地址编程并存放在辅存中。程序运行时，由地址变换机构依据当时分配给该程序 的实地址空间把程序的一部分调入实存。每次访存时，首先判断该虚地址所对应的部分是否在实存中：如果是， 则进行地址转换并用实地址访问主存；否则，按照某种算法将辅存中的部分程序调度进内存，再按同样的方法访 问主存。
由此可见，每个程序的虚地址空间可以远大于实地址空间，也可以远小于实地址空间。后一种情况通常出现 在多用户或多任务系统中：实存空间较大，而单个任务并不需要很大的地址空间，较小的虚存空间则可以缩短指 令中地址字段的长度。
有了虚存的机制后，应用程序就可以透明地使用整个虚存空间。对应用程序而言，如果主存的命中率很高， 虚存的访问时间就接近于主存访问时间，而虚存的大小仅仅依赖于辅存的大小。
操作系统第5章存储管理3虚拟存储
举例：某进程依次访问如下地址：
0100，0432，0101，0612，0102，0103， 0104，0101，0611，0102，0103，0104， 0101，0610，0102，0103，0104，0101， 0609，0102，0105。若页面大小为100， 上述访问串可简化为： 1，4，1，6，1，6，1，6，1，6，1
4 0 3
2 3 4 2 0 4
是 是 是 是 否 是 是 是 是 是 是 否 否
7 0 1 2 3 0 4
结果：缺页次数共10次。
次序
页 面 分 配 情 况 是否 缺页 换出 的页
7
0
1 1
2 2
0
3 3
0 0
4 4
2 2
3 3
0 0
3
2
0
7 7
0
7
1
0
2
1
3
2
0
3
4
0
2
4
3
2
是 是 是 是 否 是 是 是 是 是 是 否 否 7 0 1 2 3 0 4
4 0 3
是 是 是 是 否 是 是 是 是
7 0 1 2
次序
7
0
1
2
0
3
0
4
2
3
0
3
2
页 面 分 配 情 况
是否 缺页 换出 的页
1 2 0 7 7 0 1 7 0
3 0 2 3 1 2
4 0 3
2 4 0
是 是 是 是 否 是 是 是 是 是
7 0 1 2 3
次序
7
0
1
2
0
3
0
操作系统实验六-虚拟存储器实验报告
实验六虚拟存储器一、实验内容模拟分页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断，以及选择页面调度算法处理缺页中断。
二、实验目的在计算机系统中，为了提高主存利用率，往往把辅助存储器（如磁盘）作为主存储器的扩充，使多道运行的作业的全部逻辑地址空间总和可以超出主存的绝对地址空间。
用这种办法扩充的主存储器称为虚拟存储器。
通过本实验帮助同学理解在分页式存储管理中怎样实现虚拟存储器。
三、实验题目本实验有三道题目，其中第一题必做，第二，三题中可任选一个。
第一题：模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。
[提示]（1）分页式虚拟存储系统是把作业信息的副本存放在磁盘上，当作业被选中时，可把作业的开始几页先装入主存且启动执行。
为此，在为作业建立页表时，应说明哪些页已在主存，哪些页尚未装入主存，页表的格式为：其中，标志----用来表示对应页是否已经装入主存，标志位=1，则表示该页已经在主存，标志位=0，则表示该页尚未装入主存。
主存块号----用来表示已经装入主存的页所占的块号。
在磁盘上的位置----用来指出作业副本的每一页被存放在磁盘上的位置。
（2）作业执行时，指令中的逻辑地址指出了参加运算的操作存放的页号和单元号，硬件的地址转换机构按页号查页表，若该页对应标志为“1”，则表示该页已在主存，这时根据关系式：绝对地址=块号×块长+单元号计算出欲访问的主存单元地址。
如果块长为2的幂次，则可把块号作为高地址部分，把单元号作为低地址部分，两者拼接而成绝对地址。
若访问的页对应标志为“0”，则表示该页不在主存，这时硬件发“缺页中断”信号，有操作系统按该页在磁盘上的位置，把该页信息从磁盘读出装入主存后再重新执行这条指令。
（3）设计一个“地址转换”程序来模拟硬件的地址转换工作。
当访问的页在主存时，则形成绝对地址，但不去模拟指令的执行，而用输出转换后的地址来代替一条指令的执行。
当访问的页不在主存时，则输出“* 该页页号”，表示产生了一次缺页中断。
操作系统第二版第五章课后习题答案
第五章存储管理作业答案2、6、10、13、15、162、解释下列概念：物理地址、逻辑地址、逻辑地址空间、内存空间、重定位、静态重定位、动态重定位、碎片、紧缩、可重定位地址。
物理地址——内存中各存储单元的地址由统一的基地址顺序编址，这种地址称为物理地址。
逻辑地址——用户程序经编译之后的每个目标模块都以0为基地址顺序编址，这种地址称为逻辑地址。
逻辑地址空间——由程序中逻辑地址组成的地址范围叫做逻辑地址空间。
内存空间——由内存中的一系列存储单元所限定的地址范围称作内存空间。
重定位——把逻辑地址转变为内存物理地址的过程叫做重定位。
静态重定位——在目标程序装入内存时所进行的重定位。
动态重定位——在程序执行期间，每次访问内存之前进行的重定位。
碎片——在分区法中，内存出现许多容量太小、无法被利用的小分区称作“碎片”。
紧缩——移动某些已分配区的内容，使所有作业的分区紧挨在一起，而把空闲区留在另一端，这种技术称为紧缩。
可重定位地址——当含有它的程序被重定位时，将随之被调整的一种地址。
6、什么是虚拟存储器？它有哪些基本特征？参考答案：虚拟存储器是用户能作为可编址内存对待的虚拟存储空间，在这种计算机系统中实现了用户逻辑存储器与物理存储器分离，它是操作系统给用户提供的一个比真实内存空间大得多的地址空间。
虚拟存储器的基本特征是：虚拟扩充——不是物理上，而是逻辑上扩充了内存容量；部分装入——每个作业不是全部一次性地装入内存，而是只装入一部分；离散分配——不必占用连续的内存空间，而是“见缝插针”；多次对换——所需的全部程序和数据要分成多次调入内存。
10、某虚拟存储器的用户编程空间共32个页面，每页为1KB，内存为16KB。
假定某时刻一个用户页表已调入内存的页面页号和物理块号如表5-1所示。
则逻辑地址0A5C(H)所对应的物理地址为。
表5-1 页表中页号和物理块号对照表参考答案：0A5C(H)换成二进制：页号为2，查表，对应物理块号为4，与页内地址拼接成物理地址：再转换为十六进制，即125C(H)13、已知段表如表5-2所示。
虚拟存储器的基本概念
19
请求分页虚存地址转换过程(2)
逻辑地址
无登记
有登记
查快表
在辅存
在主存 查页表
形成绝对地址
发缺页中断
登记入快表
继续执行指令 硬件
保护现场 无
主存有空闲块
有
装入所需页面
调整页表和 主存分配表
恢复现场
重新执行 被中断指令
操作系统
未修改
选择调出页面 该页是否修改
已修改
把该页写回 辅存相应位置
20
4.6.2页面分配策略和分配算法
• 如果页面替换算法的作用范围局限于本进程， 称为局部页面替换算法,它实际上需要为每个 进程分配固定的页框。
• 置换范围 –全局 与 局部
三种组合：固定 + 局部 可变 + 全局 可变 + 局部
23
固定分配和局部替换策略配合使用
•进程分得的页框数不变，发生缺页中 断，只能从进程的页面中选页替换，保 证进程的页框总数不变。 •策略难点：应给每个进程分配多少页 框?给少了,缺页中断率高;给多了,使内 存中能同时执行的进程数减少，进而造 成处理器和其它设备空闲。
• 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。
13
虚拟存储管理主要采用以下技 术实现：
•分页请求虚拟存储管理 •分段请求虚拟存储管理 •段页式请求虚拟存储管理
14
一. 请求式分页存储管理
请求式分页也称虚拟页式存储管理 与纯分页存储管理不同，请求式分
页管理系统在进程开始运行之前，不是 装入全部页面，而是装入一个或零个页 面，之后根据进程运行的需要，动态装 入其它页面；当内存空间已满，而又需 要装入新的页面时，则根据某种算法淘 汰某个页面，以便装入新的页面
东软操作系统习题及答案（5）
第五章虚拟存储器一、单项选择题1、以下存储管理技术中，支持虚拟存储器的技术是（）。
A．动态分区分配B．可重定位分区分配C．请求分页存储管理D．基本分页存储管理2、请求分页存储管理中，若把页面尺寸增加一倍，在程序顺序执行时，则一般缺页中断次数会（）。
A．增加B．减少C．不变D．可能增加也可能减少3、虚拟存储管理策略可以（）。
A．扩大物理内存容量B．扩大物理外存容量C．扩大逻辑内存容量D．扩大逻辑外存容量4、下列那一条（）不是影响缺页率的主要因素。
A．缺页中断服务速度B．分配给作业的物理块数C．系统规定页面的大小D．页面调度算法二、填空题1、在虚拟存储机制中，进程的一部分装入内存，一部分保留在硬盘上。
当发现某条指令不在内存中时，发生__________。
1、虚拟存储器的特征有__________，__________和__________。
2、在请求分页存储管理中，每当要访问的页面不在内存时，会产生__________。
3、在请求分段存储管理中，当运行进程要访问的段尚未调入内存时，会产生__________。
5、在请求分页存储管理中，进程的某页可能会重复地被换出和换入内存，发生多次的缺页中断，影响程序执行的性能，这种现象称为__________。
6、某虚拟存储器的用户空间共有32个页面，每页1KB，主存16KB。
假定某时刻系统为用户的第0，1，2，3页分别分配的物理块号为5，10，4，7，虚拟地址065C和0D3C变换为物理地址后分别是__________和__________。
（十六进制）7、在一个请求分页存储管理系统中，采用先进先出页面置换算法时，假如一个作业的页面走向为1，3，2，4，2，3，5，4，3，1，2，5。
当分配给该作业的物理块数M分别为3和4时，访问过程中发生的缺页次数为__________和__________。
（假定开始时，物理块中为空）8、在一个请求分页存储管理系统中，某程序的页面走向为：2，3，2，1，5，2，4，5，3，2，5，2。
计算机操作系统--虚拟存储器 ppt课件
为，该系统所具有的内存容量一定比自己的程序大，或者说， 用户所感觉到的内存容量会比实际内存容量大得多。但用户 所看到的大容量只是一种错觉，是虚的，故人们把这样的存 储器称为虚拟存储器。
统存储器管理方式，它们全都具有如下两个共同的特征： (1) 一次性 (2) 驻留性
pp3t课件
第五章 虚 拟 存 储 器
2. 局部性原理 程序运行时存在的局部性现象，很早就已被人发现，但 直到1968年，P.Denning才真正指出：程序在执行时将呈现出 局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某 个部分，相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。
算机系统除了要求一定容量的内存和外存外，还需要有请求 页表机制、缺页中断机构以及地址变换机构。
pp1t1课件
第五章 虚 拟 存 储 器
1. 请求页表机制 在请求分页系统中需要的主要数据结构是请求页表，其 基本作用仍然是将用户地址空间中的逻辑地址映射为内存空 间中的物理地址。为了满足页面换进换出的需要，在请求页 表中又增加了四个字段。这样，在请求分页系统中的每个页 表应含以下诸项：
pp1t8课件
第五章 虚 拟 存 储 器
3. 物理块分配算法 在采用固定分配策略时，如何将系统中可供分配的所有 物理块分配给各个进程，可采用下述几种算法： (1) 平均分配算法，即将系统中所有可供分配的物理块 平均分配给各个进程。 (2) 按比例分配算法，即根据进程的大小按比例分配物 理块。如果系统中共有n个进程，每个进程的页面数为Si， 则系统中各进程页面数的总和为：
pp9t课件
第五章 虚 拟 存 储 器
2. 请求分段系统 1) 硬件支持 主要的硬件支持有： (1) 请求分段的段表机制。 (2) 缺页中断机构。 (3) 地址变换机构。 2) 软件支持
操作系统管理-虚拟存储器-实验报告-代码7页
操作系统管理-虚拟存储器-实验报告-代码7页一、实验目的学习操作系统中虚拟存储器的概念，掌握虚拟存储器的实现思路和方式。
二、实验要求在C语言环境下，实现基于分页机制的虚拟存储和页表管理。
三、实验内容1.实现一个虚拟存储器，其中分页大小为4KB，虚拟地址空间大小为4GB（每个进程可以使用的虚拟地址空间）。
物理内存大小为512MB，即实际内存中有128个物理页面。
2.实现页表管理，将虚拟地址映射到物理地址。
3.实现页面替换算法，当物理内存不足时，需要将某些页面从内存中置换出来。
4.实现程序的运行，能够根据页面缺失率输出性能参数。
四、实验步骤1.确定程序设计思路和数据结构。
2.实现虚拟存储器和页表管理。
3.实现页面替换算法。
五、实验代码及解析对于程序设计思路，首先需要确定虚拟存储器和物理内存的大小，以及页面大小。
虚拟存储器大小默认为4GB，物理内存大小为512MB，页面大小为4KB。
其次，需要设计页表数据结构。
页表可以使用一个二维数组表示，其中第一维表示页表项，第二维表示页内地址。
页表项有四个字段，分别为标志位（是否在内存中）、页框号（页面所在的物理页框号）、保护（页面的读写权限）、计数（页面使用情况的计数器）。
第三，需要设计页面替换算法。
本程序采用最近最少使用算法（LRU）作为页面替换算法，当物理内存不足时，选择使用最近最少使用的页面进行替换。
#define PAGE_SIZE 4096 // 页面大小#define VIRTUAL_MEM_SIZE 4 * 1024 * 1024 * 1024 // 虚拟存储器大小#define PHYSICAL_MEM_SIZE 512 * 1024 * 1024 // 物理内存大小#define PAGE_NUM (VIRTUAL_MEM_SIZE / PAGE_SIZE) // 页面总数#define PHYSICAL_PAGE_NUM (PHYSICAL_MEM_SIZE / PAGE_SIZE) // 物理页面数struct page_table_entry {int present; // 是否在内存中（1为在，0为不在）int page_frame; // 页面所在的物理页框号int protect; // 页面的读写权限int count; // 页面使用情况的计数器}struct page_table_entry page_table[PAGE_NUM][PAGE_SIZE]; // 页表虚拟存储器和页表管理需要掌握的是页表的相关数据结构，还有一个重要的点，就是如何将虚拟地址映射到物理地址。
操作系统虚拟存储器的概念
操作系统虚拟存储器的概念操作系统虚拟存储器是一个允许程序在其看来有连续的地址空间的内存抽象。
通过虚拟存储器，操作系统可以将程序分配给物理内存的不连续位置，从而实现更高效的内存管理和更大规模的程序执行。
本文将从概念、原理、实现等角度详细介绍操作系统虚拟存储器。
概念：操作系统虚拟存储器是一种内存管理技术，将程序的连续地址空间抽象为虚拟的连续地址空间，使得程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间。
虚拟存储器的目标是提供每个进程一个私有的地址空间，用于存储其代码、数据和堆栈等。
在虚拟存储器中，每个进程看到的地址空间称为虚拟地址空间，而实际在内存中的地址空间称为物理地址空间。
原理：虚拟存储器的实现依赖于虚拟地址转换技术。
当程序访问虚拟地址时，操作系统将其翻译成物理地址，并检查翻译后的地址是否合法。
虚拟地址转换通常涉及到以下几个步骤：1. 页表管理：操作系统使用页表来维护虚拟地址和物理地址之间的映射关系。
页表包括多个页表项，每个页表项对应一段连续的虚拟地址和物理地址，用于记录其映射关系。
2. 分页机制：操作系统将虚拟地址和物理地址划分为固定大小的页，通常是4KB 或者8KB。
分页的大小是操作系统所支持的最小单位，也是整个虚拟存储器的基本块。
3. 地址转换：当程序访问虚拟地址时，操作系统通过查找页表找到对应的页表项，获取物理地址的高位部分和低位部分。
高位部分表示该虚拟地址所在的页，低位部分表示页内偏移量。
操作系统将高位部分与页表项中的基地址相加，再加上低位部分，就得到了对应的物理地址。
4. 内存访问权限控制：操作系统可以在页表中设置权限位，用于控制对于虚拟地址的访问权限。
常用的权限包括读取、写入和执行等。
实现：虚拟存储器的实现需要操作系统的支持，在现代操作系统中通常采用以下几种技术来实现虚拟存储器：1. 分段式虚拟存储器：将程序分为若干段，每个段对应一块连续的虚拟内存空间，可以动态加载和卸载不同的程序段，提高内存的利用率。
汤子瀛《计算机操作系统》(第4版)章节题库-虚拟存储器(圣才出品)
第5章虚拟存储器一、选择题1．现代操作系统中，提高内存利用率主要是通过（）功能实现的。
A．对换B．内存保护C．地址映射D．虚拟存储器【答案】D【解析】虚拟存储器的对换性。
与常规存储管理的“驻留性”相反，在作业运行期间，虚拟存储器允许将那些暂不使用的程序或数据从内存调至对换区，待以后需要时再调入内存，从而有效地提高内存利用率。
2．从下列关于非虚拟存储器的论述中，选出一条正确的论述。
（）A．要求作业在运行前，必须全部装入内存，且在运行过程中也必须一直驻留内存B．要求作业在运行前，不必全部装入内存，且在运行过程中不必一直驻留内存C．要求作业在运行前，不必全部装入内存，但在运行过程中必须一直驻留内存D．要求作业在运行前，必须全部装入内存，但在运行过程中不必一直驻留内存【答案】A【解析】存储管理方式统称为常规存储管理方式，且具有以下两个共同的特征：（1）一次性。
作业在运行前必须一次性地全部装入内存后方能开始运行。
（2）驻留性。
作业装入内存后，便一直驻留在内存中，直至作业运行结束。
3．虚拟存储器最基本的特征是（1）；该特征主要是基于（2）；实现虚拟存储器最关键的技术是（3）。
（1）A．一次性B．多次性C．交换性D．离散性E．驻留性（2）A．计算机的高速性B．大容量的内存C．大容量的硬盘D．循环性原理E．局部性原理（3）A．内存分配B．置换算法C．请求调页（段）D．对换空间管理【答案】B；B；C【解析】多次性是虚拟存储器最重要的特征。
虚拟存储器将一个作业分成多次调入内存，基于局部性原理，较大容量的内存可同时装入更多的进程使它们并发执行。
实现虚拟存储器的关键是请求调页（段）技术和页（段）置换技术。
4．虚拟存储器管理系统的基础是程序的局部性理论。
此理论的基本含义是（1）。
局部性有两种表现形式，时间局部性和（2），它们的意义分别是（3）和（4）。
根据局部性理论，Denning提出了（5）。
（1）A．代码的顺序执行B．程序执行时对主存的访问是不均匀的C．数据的局部性D．变量的连续访问E．指令的局部性F．空间的局部性（2）A．代码的顺序执行B．程序执行时对主存的访问是不均匀的C．数据的局部性D．变量的连续访问E．指令的局部性F．空间的局部性（3）A．最近被访问的单元，很可能在不久的将来还要被访问B．最近被访问的单元，很可能它附近的单元也即将被访问C．结构化程序设计，很少出现转移语句D．程序中循环语句的执行时间一般很长E．程序中使用的数据局部于各子程序（4）A．最近被访问的单元，很可能在不久的将来还要被访问B．最近被访问的单元，很可能它附近的单元也即将被访问C．结构化程序设计，很少出现转移语句D．程序中循环语句的执行时间一般很长E．程序中使用的数据局部于各子程序（5）A．chache结构的思想B．先进先出（FIFO）页面置换算法C．工作集理论D．最近最久未用（LRU）页面置换算法【答案】B；F；A；B；C【解析】局部性理论：（1）时间局部性。
操作系统题目5章
第五章虚拟存储器1、在请求分页管理中，在页表中增加了若干项，其中状态位供（）时参考，修改位供（）时参考，访问字段供（）时参考，外存地址供（）时参考。
A、分配页面B、置换算法C、程序访问D、换出页面E、调入页面2、请求页式管理中，缺页中断率与进程所得的内存页面数（）和（）等因素有关。
A、页表的位置B、置换算法C、页面大小D、进程调度算法3、请求分页管理中，页面的大小与可能产生的缺页中断次数（）。
A、成正比B、成反比C、无关D、成固定比值4、下列说法正确的是（）。
A、在请求段页式系统中，以页为单位管理用户的虚拟空间，以段为单位管理内存空间B、在请求段页式系统中，以段为单位管理用户的虚拟空间，以页为单位管理内存空间C、为提高请求分页系统中内存的利用率，允许用户使用不同大小的页面D、在虚拟存储器中，为了能让更多的作业同时运行，通常只应装入10%的作业后便启动运行5、在下面的存储管理方案中，可以使用上下界地址寄存器实现存储保护的是（）和（）。
A、固定分区存储分配B、可变分区存储分配C、页式存储分配D、段式存储分配6、（2011年计算机联考真题）在缺页处理过程中，操作系统执行的操作可能是（）。
Ⅰ、修改页表Ⅱ、磁盘I/O Ⅲ、分配页框A、仅Ⅰ、ⅡB、仅ⅡC、仅ⅢD、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ7、（2011年计算机联考真题）当系统发生抖动（Thrashing）时，可用采取的有效措施是（）。
Ⅰ、撤销部分进程Ⅱ、增加磁盘交换区的容量Ⅲ、提高用户进程的优先级A、仅ⅠB、仅ⅡC、仅ⅢD、仅Ⅰ、Ⅱ8、（2012年计算机联考真题）下列关于虚拟存储器的叙述中，正确的是（）。
A、虚拟存储只能基于连续分配技术B、虚拟存储只能基于非连续分配技术C、虚拟存储容量只受外存容量的限制D、虚拟储存容量只受内存容量的限制9、（2013年计算机联考真题）若用户进程访问内存时产生缺页，则下列选项中，操作系统可能执行的操作是（）。
Ⅰ、处理越界错Ⅱ、置换页Ⅲ、分配内存A、仅Ⅰ、ⅡB、仅Ⅱ、ⅢC、仅Ⅰ、ⅢD、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ10、（2014年计算机联考真题）下列措施中，能加快虚实地址转换的是（）。
操作系统实验六_虚拟存储器实验报告
操作系统实验六_虚拟存储器实验报告
实验目的：
通过本次实验，了解虚拟存储器的实现原理，以及如何分配虚拟地址和物理地址，实现虚拟存储器管理。
实验内容：
1.按照顺序完成程序代码，以实现对虚拟地址的映射，再间接实现对物理地址的访问。
2.完成不同的页面置换算法，并分析各自的特点。
实验步骤：
1.在实验中实现了给定的伪指令程序，其中包括了虚拟存储器的实现代码。
在页面大小为1K的情况下，每个进程的虚拟地址空间为64K，物理地址空间为16K。
2.在虚拟存储器的实现中，采用了分段式存储器管理模式，其中包括了段描述符表和页表。
其中段描述符表包括了段基址、段长、段类型等信息，而页表则记录了虚拟地址和物理地址的映射关系。
3.实现了三种页面置换算法：LRU、FIFO和随机算法。
其中，LRU算法会选择最近没有使用过的页面进行置换；FIFO算法会按照先进先出原则进行页面置换；随机算法则随机选取一个页面进行置换。
4.通过本次实验，学习了如何通过虚拟地址访问物理地址，并实现了对虚拟存储器的管理。
同时，在实现页面置换算法时，也对不同算法的特点进行了分析。
实验结果：。
计算机操作系统第七章 - 存 储 管 理
分页系统中的地址映射
图5-16 分页系统的地址转换机构 每个进程平均有半个页面的内部碎 片
页面尺寸
设进程的平均大小为s字节，页面尺寸为p字节 ，每个页表项占e字节。那么，每个进程需要的 页数大约为s/p，占用 s . e /p 字节的页表空间。 每个进程的内部碎片平均为p/2。 因此，由页表和内部碎片带来的总开销是： s . e /p+p/2
• • •
虚拟存储器的特征
① ② ③ ④
虚拟扩充。 部分装入。 离散分配。 多次对换。
地址重定位( 地址重定位(地址映射）
• • • • • • • • • • • •
MOV AX,1234 ；立即数寻址 MOV [1000],AX 存储器直接寻址 MOV BX,1002 ；立即数寻址 MOV BYTE PTR[BX],20 ；基址寻址 MOV DL,39 ；立即数寻址 INC BX ；寄存器寻址 MOV [BX],DL ；基址寻址 DEC DL ；寄存器寻址 MOV SI,3 ；立即数寻址 MOV [BX+SI],DL ；基址加变址寻址 MOV [BX+SI+1],DL ；基址+变址+立即数寻址 ；基址+变址+ MOV WORD PTR[BX+SI+2],2846 ；基址+变址+立即数寻址 ；基址+变址+
页面置换算法
页面置换
1．页面置换过程
图5-35 页面置换
需要解决的问题
• 系统抖动 • 缺页中断
•
在学汇编时，很多初学者对PC的寻址方式和很 在学汇编时，很多初学者对PC的寻址方式和很 不理解，甚至是很难理解。的确，这方面的知识 是很抽象的，需要比较强的空间想象能力。尤其 是我们在输入字符串时，那这些字符是如何进行 排列的呢？对于，这个问题，我相信很多初学者 也是很难想象是如何排列。但是，我可以这样比 喻：内存就是有很多栋“楼房” 喻：内存就是有很多栋“楼房”，“楼房”又是 楼房” 由“单元号”，“门户号”组成，那“楼房”就 单元号” 门户号”组成，那“楼房” 相当于内存地址的段地址，“单元号” 相当于内存地址的段地址，“单元号”就相当于 内存的的 偏移地址，“门户号(家)”就相当于“变 偏移地址，“门户号( 就相当于“ 地址”，而每个单元有16个 门户号( )",又当我 地址”，而每个单元有16个"门户号(家)",又当我 们找到"门户号( )"后 走进这个"门户号( )"就会 们找到"门户号(家)"后,走进这个"门户号(家)"就会 见到里面会有" ",而我们所说的人就是寄存器所 见到里面会有"人",而我们所说的人就是寄存器所 指的"内容" 指的"内容"了,
虚拟存储器
虚拟存储器什么是虚拟存储器？它存储介质是什么？1、虚拟内存的作用内存在计算机中的作用很大，电脑中所有运行的程序都需要经过内存来执行，如果执行的程序很大或很多，就会导致内存消耗殆尽。
为了解决这个问题，Windows中运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间来充当内存使用，当内存占用完时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。
举一个例子来说，如果电脑只有128MB物理内存的话，当读取一个容量为200MB的文件时，就必须要用到比较大的虚拟内存，文件被内存读取之后就会先储存到虚拟内存，等待内存把文件全部储存到虚拟内存之后，跟着就会把虚拟内里储存的文件释放到原来的安装目录里了。
下面，就让我们一起来看看如何对虚拟内存进行设置吧。
2、虚拟内存的设置对于虚拟内存主要设置两点，即内存大小和分页位置，内存大小就是设置虚拟内存最小为多少和最大为多少；而分页位置则是设置虚拟内存应使用那个分区中的硬盘空间。
对于内存大小的设置，如何得到最小值和最大值呢？你可以通过下面的方法获得：选择“开始→程序→附件→系统工具→系统监视器”（如果系统工具中没有，可以通过“添加/删除程序”中的Windows安装程序进行安装）打开系统监视器，然后选择“编辑→添加项目”，在“类型”项中选择“内存管理程序”，在右侧的列表选择“交换文件大小”。
这样随着你的操作，会显示出交换文件值的波动情况，你可以把经常要使用到的程序打开，然后对它们进行使用，这时查看一下系统监视器中的表现值，由于用户每次使用电脑时的情况都不尽相同，因此，最好能够通过较长时间对交换文件进行监视来找出最符合您的交换文件的数值，这样才能保证系统性能稳定以及保持在最佳的状态。
找出最合适的范围值后，在设置虚拟内存时，用鼠标右键点击“我的电脑”，选择“属性”，弹出系统属性窗口，选择“性能”标签，点击下面“虚拟内存”按钮，弹出虚拟内存设置窗口，点击“用户自己指定虚拟内存设置”单选按钮，“硬盘”选较大剩余空间的分区，然后在“最小值”和“最大值”文本框中输入合适的范围值。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
6.1.1 虚拟存储器的引入
所以局限性表现为： 1. 时间局限性 如果程序中的某条指令一旦执行，则不久的将来该指 令可能再次被执行；如果某个存储单元被访问，则不久以 后该存储单元可能再次被访问。产生时间局限性的典型原 因是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，则在不久的将来，其 附近的存储单元也最有可能被访问。 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内，其典型原因是 程序是顺序执行的。
华北电力大学计算机系
6.1.3 虚拟存储器的特征
一．离散性：指在内存分配时采用离散的分配方式， 它是虚拟存储器的最基本的特征。 二．多次性：指一个作业被分成多次调入内存运行， 即在作业运行时没有必要将其全部装入，只须将 当前要运行的那部分程序和数据装入内存即可。 三．对换性：指允许在作业的运行过程中在内存和外 存的对换区之间换进、换出。 四．虚拟性：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。 它是虚拟存储器最重要的特征。
第六章 虚拟存储器
内容 虚拟存储器的基本概念 请求分页存储管理方式 页面置换算法 请求分页系统的性能分析 请求分段存储管理方式 存储管理举例
华北电力大学计算机系
第六章 虚拟存储器
目的及要求
理解并掌握虚拟存储器的概念和特征，初步领会虚拟存 储器的实现方式； 了解请求分页中的硬件支持，领会并理解页面分配和置 换的策略； 熟练掌握最佳置换和先进先出页面置换算法，理解并掌 握最近最久未使用置换算法，了解Clock、最少使用和 页面缓冲置换算法； 了解缺页率对优先访问时间的影响，领会抖动产生的原 因和预防方法； 了解请求分段中的硬件支持，领会请求分段存储管理方 式中分段共享和保护；
华北电力大学计算机系
6.1.1 虚拟存储器的引入
虚拟存储器是具有请求调入和置换功能，能仅把作业的 一部分装入内存便可运行，能从逻辑上对内存容量进行扩充的 一种存储器系统。 其逻辑容量由内存和外存容量之和所决定，其运行速度 接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存。
可见，虚拟存储技术是一种性能非常优越的存储器管理 技术，故被广泛地应用于大、中、小型机器和微型机中。
华北电力大学计算机系
6.1 虚拟存储器的基本概念
6.1.1 6.1.2 6.1.3 虚拟存储器的引入 虚拟存储器的实现方式 虚拟存储器的特征
华北电力大学计算Biblioteka 系6.1.1 虚拟存储器的引入
一．局部性原理
早在1968年P．Denning就指出过，程序在执行时将呈现 出局部性规律，即在一段时间内，程序的执行仅局限于某个部 分；相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域内。那么 程序为什么会出现局部性规律呢？原因可以归结为以下几点： 1. 程序在执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外， 大多数仍是顺序执行的。 2. 子程序调用将会使程序的执行由一部分内存区域转至 另一部分区域。但在大多数情况下，过程调用的深度 都不超过5。 3. 程序中存在许多循环结构，循环体中的指令被多次执 行。 4. 程序中还包括许多对数据结构的处理，如对连续的存 储空间——数组的访问，往往局限于很小的范围内。
华北电力大学计算机系
第六章 虚拟存储器
重点
虚拟存储器的概念和特征； 最佳置换算法、先进先出页面置换算法、最近最久未 使用置换算法； 抖动产生的原因和预防方法； 请求分段存储管理方式中分段共享和保护；
难点
虚拟存储器的概念和特征； 页面分配和置换的策略； 最佳置换算法、最近最久未使用置换算法； 抖动的预防方法； 请求分段存储管理方式中分段共享和保护。
华北电力大学计算机系
6.2 请求分页存储管理方式
6.2.1 请求分页中的硬件支持 6.2.2 页面分配 6.2.3 页面调入策略
华北电力大学计算机系
6.2.1 请求分页中的硬件支持
它是在纯分页系统的基础上，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，它是 目前常用的一种虚拟存储器的方式。 一．页表机制
华北电力大学计算机系
6.1.2 虚拟存储器的实现方式
二．请求分段系统 它是在分段系统的基础上，增加了请求调段和分 段置换功能所形成的段式虚拟存储系统。它允许只装 入若干段（而非全部段）的用户程序和数据，就可以 启动运行，以后再通过调段功能和置换功能将不运行 的段调出，同时调入将要运行的段，置换以段为单位 三．请求段页式系统 它是在段页式系统的基础上，增加了请求调页和 页面置换功能所形成的段页式虚拟存储系统。
华北电力大学计算机系
6.1.1 虚拟存储器的引入
二．虚拟存储器的定义
根据局部性原理，一个作业在运行之前，没有必要把全部作业装入 内存，而仅将那些当前要运行的那部分页面或段，先装入内存便可启动运 行，其余部分暂时留在磁盘上。 程序在运行时如果它所要访问的页（段）已调入内存，便可继续执 行下去；但如果程序所要访问的页（段）尚未调入内存（称为缺页或缺段 ），此时程序应利用OS所提供的请求调页（段）功能，将它们调入内存， 以使进程能继续执行下去。 如果此时内存已满，无法再装入新的页（段），则还须再利用页（ 段）的置换功能，将内存中暂时不用的页（段）调出至磁盘上，腾出足够 的内存空间后，再将所要访问的页（段）调入内存，使程序继续执行下去 。这样，便可使一个大的用户程序在较小的内存空间中运行；也可使内存 中同时装入更多的进程并发执行。从用户角度看，该系统所具有的内存容 量，将比实际内存容量大得多，人们把这样的存储器称为虚拟存储器。
华北电力大学计算机系
6.1.2 虚拟存储器的实现方式
一．请求分页系统 它是在分页系统的基础上，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 只装入若干页（而非全部程序）的用户程序和数据， 就可以启动运行，以后再通过调页功能和页面置换功 能，陆续把将要运行的页面调入内存，同时把暂不运 行的页面置换到外存上，置换时以页面为单位。