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。
段页式虚拟存储管理的实现原理
段页式虚拟存储管理的实现原理咱们先来说说为啥要有这个段页式虚拟存储管理呀。
你想啊，计算机的内存就那么大，但是程序和数据那可是越来越多，就像你有个小房间，东西却不断地增加，怎么办呢？这就需要一种聪明的管理办法啦。
那这个段页式是咋回事呢？它呀，是把程序的地址空间分成段，然后每一段呢又分成好多页。
这就像是把你的大堆东西先分成几大类，然后每一类再分成一个个小包裹一样。
比如说，你可以把游戏程序当成一个段，办公软件当成一个段。
然后游戏程序这个段里面呢，又可以分成好多页，像游戏的画面渲染部分是一页，游戏的声音处理部分是一页。
在这个段页式虚拟存储管理里，有个很重要的东西叫段表和页表。
段表就像是一个大管家，它记录着每个段在内存里的起始位置呀，段的长度这些重要信息。
页表呢，就像是段里面的小管家，它负责记录每一页在内存里的位置等情况。
当程序要访问某个地址的时候，就像是你要找某个小物件一样。
首先呢，系统会根据段号去查段表，找到这个段在内存里的大概位置，这就好比你先找到这个东西所在的那一大类在房间里的哪个角落。
然后呢，再根据段里面的页号去查页表，这样就能准确地找到你要的那个数据或者指令啦，就像在那一大类里面找到那个具体的小包裹一样。
要是内存里没有这个页怎么办呢？这时候就会发生缺页中断。
这就像你要找的小包裹不在房间里，那怎么办呢？系统就会从外存（比如硬盘）把这个页调入内存。
这个过程就有点像你去仓库（外存）把东西拿进房间（内存）。
而且呀，为了提高效率，系统还会有一些替换算法。
比如说，要是内存满了，要调入新的页，就得把内存里现有的某个页替换出去。
这就像房间满了，要放新东西就得把旧东西挪个地方一样。
有像先进先出（FIFO）这种算法，就像先放进房间的东西先被挪走；还有最近最少使用（LRU）算法，就像很久都没用到的东西就先被替换出去。
在段页式虚拟存储管理里，还有个好处就是它的灵活性。
它既可以按照段来进行共享和保护，又可以按照页来进行内存的分配和管理。
操作系统试卷1答案
)1、引入多道程序设计技术的目的是 (C)增强系统的用户友好性B.提高系统实时性C.充分利用处理器资源D.扩充内存容量2、假设系统处于下列状态，目前系统剩余资源数量为2。
下列哪一个进程序列有可能发生死锁？（b）进程已占资源数最大需求数P1 1 2P2 4 7P3 3 5P4 5 7A）P1，P2，P3，P4B）P2，P3，P4，P1C）P3，P1，P2，P4D）P4，P3，P2，P13、有如下请求磁盘服务的队列，要访问的磁道分别是98，183，37，122，14，124，65，67。
现在磁头在53道上，若按最短寻道时间优先法，磁头总的移动道数是：（c ）。
A.234B.235C.236D.2374、下列关于紧凑技术的叙述中，哪个是不正确的？(A)A.内存中任意一个程序都可以随时移动B.移动可以集中分散的空闲区C.移动会增加处理器的开销D.采用紧凑技术时应尽可能减少移动的信息量5、引入虚拟存储技术的关键前提是(B)A.有大容量的外存B.程序执行的局部性原理C.硬件提供地址转换机制D.选择一种合适的页面调度算法6、构成文件的基本单位是字符，这一类文件称为(A)A.流式文件B.记录式文件C.顺序文件D.索引文件7、下列哪一种（些）磁盘调度算法只考虑了公平性（A）Ⅰ. 先来先服务Ⅱ. 最短寻道时间优先Ⅲ. 扫描A.ⅠB.ⅡC.Ⅰ和ⅢD.全部8、在可变分区分配方案中，为了实现主存的空间分配，采用（d ）进行管理。
A．页表 B．段表 C．段表＋页表 D．分区分配表＋空闲区表9、设某类资源有5个，由3个进程共享，每个进程最多可申请（b ）个资源而使系统不会死锁。
A． 1 B． 2 C． 3 D． 410、动态重定位是在（c）完成的。
A．作业执行前集中一次 B．作业执行过程中集中一次C．作业执行过程中 D．作业执行过程中由用户11、进程从等待状态进入就绪状态可能是由于（c ）A．现运行进程运行结束B．现运行进程执行了P操作C．现运行进程执行了V操作D．现运行进程时间片用完12、UNIX文件系统对盘空间的管理采用（d ）A． FAT表法 B．位示图法C．空闲块链接法 D．空闲块成组链接法13、下列算法可用于磁盘移臂调度的是（b ）A． LRU算法B． SCAN调度算法C．时间片轮转法 D．响应比高者优先算法14、特权指令（ b）执行。
虚拟存储器的工作原理与实现
虚拟存储器的工作原理与实现在计算机中，虚拟存储器是一种重要的概念。
虚拟存储器是指将计算机内存中的部分内容暂时保存在磁盘上，以便在需要时进行访问。
虚拟存储器不仅可以提高计算机的性能，还可以扩展计算机的内存容量。
如何实现虚拟存储器，是计算机领域研究的一个重要方向。
本文将探讨虚拟存储器的工作原理与实现。
1. 虚拟存储器的基本原理虚拟存储器的基本原理是利用操作系统将计算机内存中的部分内容保存在磁盘上。
这些保存在磁盘上的数据可以被认为是虚拟内存。
当用户访问某个虚拟内存时，操作系统会将该虚拟内存中的部分数据从磁盘中读取到内存中，供用户访问。
虚拟存储器的实现需要借助硬件和软件两方面。
在硬件方面，计算机需要支持内存管理单元(MMU)。
MMU是一种硬件单元，用于管理计算机内存。
在软件方面，操作系统需要实现虚拟存储器管理算法。
虚拟存储器管理算法是指在虚拟存储器中寻找和更新数据的方法。
2. 页面调度算法在虚拟存储器中，数据被分成大小相等的页面。
当用户访问虚拟内存时，操作系统需要将对应的页面从磁盘读入到内存中。
在这个过程中，操作系统需要使用页面调度算法，来确定应该将哪些页面读入内存，以及应该将哪些页面置换出内存。
页面调度算法分为两种基本类型：置换算法和预测算法。
置换算法是指当内存不够用时，需要将一些页面从内存中置换出去。
最常用的置换算法是LRU算法，该算法置换出最近最少使用的页面。
预测算法是指当内存空间足够时，操作系统会将一些页面缓存到内存中，以便快速访问。
最常用的预测算法是一种称为“热点缓存”的算法，该算法将经常被访问的页面缓存到内存中。
3. 页面大小和页表大小的选择页面大小和页表大小是虚拟存储器中的两个重要参数。
页面大小是指页面所占的内存大小，页表大小是指记录每个虚拟页面对应的物理页面的数据结构的大小。
选择页面大小的因素主要包括内存大小、程序大小、访问模式等。
如果页面过小，将导致每次访问都需要访问页表，降低访问速度。
虚拟存储器
程序只能访问同层或更外层的数据 程序可以调用同层或更内层的服务 CHM（change-mode，改变模式） REI（return from exception or interrupt，从异常
或中断返回）
4MB、16MB、256MB R4000（ MIPS 于1991年10月1日发布的64位CPU）
支持7种：4KB到16MB
26
页面大小与缺页率
缺页率 缺页次数/内存访问次数 缺页的平均时间间隔
页面大小会影响缺页率 页面很小：每个进程的内存页较多，通过调页很快适 应局部性原理的要求，缺页率低 页面很大：进程使用的大部分地址空间都在内存，缺 页率低 页面中等大小：局部性区域只占每页的较小部分，缺 页率高
OS将页面调入内存并更新页表，进而形成物理地址
24
TLB的一些细节
逻辑地址中的虚页号与TLB表项的匹配检查由硬件 实现，是并行的——关联映射
TLB中每个表项的页号部分必须包含虚页号的所有 域，只有整个虚页号匹配时才算命中
TLB应随着进程的切换而刷新：
提供一条清除TLB中有效位的机器指令 扩充TLB使包含一个进程标识域，同时增加一寄存器
除一些老式PC操作系统（如MS-DOS）和专用系统外， 现在所有重要的OS均支持虚存
软件支持
OS必须管理内存与外存之间的页/段/段&页的交换 调页策略、放置策略、替换策略 驻留集和工作集管理 清除（回写）策略、加载（并发度）控制
11
8.1.2 虚拟分页
12
页表
页表项（Page Table Entry，简称为PTE）的一般内容： Present：在/不在内存 Modified：有没有被修改 Protection：保护码，1位或多位(rwe：读/写/执行) Referenced：有没有被访问 Cache：是否禁止缓存
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。
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计算机系统中用于管理虚拟内存的一种技术。
它通过将物理内存和磁盘空间结合起来，使得计算机能够有效地处理比实际内存容量更大的程序。
在本文中，将深入探讨页式虚拟存储器的工作原理，包括虚拟内存、物理内存、页面置换算法等相关概念，以及页式虚拟存储器的工作流程和优缺点。
一、虚拟内存的概念虚拟内存是一种计算机系统中的重要技术，它使得计算机能够同时运行多个程序，并且能够处理比实际物理内存更大的程序。
虚拟内存利用辅助存储设备（如硬盘）来扩展计算机的物理内存。
这样，程序可以运行，而不必全部载入内存中。
虚拟内存的有效性主要体现在以下几个方面：1.提高内存利用率。
虚拟内存使得计算机能够运行更多的程序，同时不会受到物理内存大小的限制。
2.提高系统的性能。
虚拟内存能够减少因内存不足而产生的页面置换，从而提高系统的性能。
3.保护程序。
虚拟内存可以有效地保护程序的数据，在内存中分配给每个程序的地址是单独的，避免了程序之间的干扰。
二、页式虚拟存储器的概念页式虚拟存储器是一种虚拟内存管理技术，通过将程序的虚拟地址空间和物理内存空间分割成固定大小的页面，来管理虚拟内存。
页式虚拟存储器的主要特点是页的大小固定，并且虚拟地址空间和物理地址空间都被分割成块状的页面。
在页式虚拟存储器中，每个页面都有一个对应的页面表项，用于记录页面在物理内存中的位置。
在页式虚拟存储器中，程序只能在物理内存中保持活动状态的页面，当程序访问的页面不在物理内存中时，系统会将相应的页面从辅助存储设备（如硬盘）中加载到物理内存中。
这种分页式管理方式，使得虚拟内存的管理更加灵活，能够有效地管理大容量的虚拟内存空间。
三、物理内存和虚拟内存的映射在页式虚拟存储器中，虚拟内存和物理内存之间存在映射关系，即虚拟地址空间中的页面被映射到物理内存中的页面。
这种映射关系是通过页表来实现的。
页表是一个用于记录虚拟地址空间和物理地址空间映射关系的数据结构。
虚拟存储器
举例
一个循环程序，依次使用P1，P2，P3， P4四个页面，分配给这个程序的主存页 面数为3个。FIFO、LRU和OPT三种页面 替换算法对主存页面的调度情况如下图 所示。在FIFO和LRU算法中，总是发生 下次就要使用的页面本次被替换出去的 情况，这就是“颠簸”现象。
页表法 地址
相联目录表法 内容
2uNv *(nv1) 2nv*(u(Nv)nv)
慢
快
2uNv nv 1
2 nv nv Nv 1
替换算法
页面替换发生时间： 当发生页面失效时，要从磁盘中调入一页到主 存。如果主存所有页面都已经被占用，必须从 主存储器中淘汰掉一个不常使用的页面，以便 腾出主存空间来存放新调入的页面。
需要时调入主存。
段表结构： 段名、地址、装入位、段长、访问方式。 段表基址寄存器：指明段表的启始地址。
能使大程序分模块编制，并行编程，缩短时间 便于几道程序共用已在内存内的程序和数据； 各段是按其逻辑特点组合的，容易以段为单位
实现存储保护。人工建立。
A道程序的 程序空间
1k
0段
2k
1段
3k
由用户号找到基址寄存器
从基址寄存器中读出段表的起始地址
把起始地址与多用户虚地址中段号相加得到段表地址
把段表中给出的起始地址与段内偏移D相加就能得到 主存实地址
多用户 虚地址
用户号U
段号S
段内偏移D
主存实地址
As
0
0
1
6 As
2
1
3
n-1
4
段表 段表 长度 基址
段名
3.6 虚拟存储器
jiaojiye, -计算机组成原理-
3.6.5 替换算法
3.7 虚拟存储器
虚拟存储器中的页面替换策略和cache中的行替 换策略有很多相似之处，但有三点显著不同： (1)缺页至少要涉及一次磁盘存取，读取所缺的 页，缺页使系统蒙受的损失要比cache未命中大得多 。 (2)页面替换是由操作系统软件实现的。 (3)页面替换的选择余地很大，属于一个进程的 页面都可替换。
jiaojiye, -计算机组成原理-
2
3.7 虚拟存储器
2. 早期CPU是根据物理地址直接访问内存。
好处： CPU就根据某个寄存器中相应的值，直接到物理内存 去取值，非常直接和容易理解。 缺点： 需要知道物理地址的值，每次程序开始执行，也就是 执行程序从磁盘被load到物理内存中之后，我们必须告诉 CPU，程序是从哪一个地址开始执行的（即PC寄存器的 值）； 程序使用的内存会被物理内存所限制，比如我们的机 器上只有512M内存，那我们的程序就不能使用需占1G内 存的程序了
jiaojiye, -计算机组成原理12
3.7 虚拟存储器
jiaojiye, -计算机组成原理-
该图显示了两个 64 位进程的虚 拟地址空间：Notepad.exe 和 MyApp.exe。每个进程都有其各 自的虚拟地址空间，范围从 0x000'0000000 至 0x7FF'FFFFFFFF。每个阴影框都 表示虚拟内存或物理内存的一个 页面（大小为 4 KB）。注意， Notepad 进程使用从 0x7F7'93950000 开始的虚拟 地址的三个相邻页面。但虚拟地 址的这三个相邻页面会映射到物 理内存中的非相邻页面。而且还 注意，两个进程都使用从 0x7F7'93950000 开始的虚拟 内存页面，但这些虚拟页面都映 13 射到物理内存的不同页面。
操作系统教程第5版部分习题答案
第一章：一、3、10、15、23、27、353.什么是操作系统？操作系统在计算机系统中的主要作用是什么？操作系统是管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务,并合理组织计算机工作流程和为用户有效地使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件.主要作用(1)服务用户—操作系统作为用户接口和公共服务程序(2)进程交互—操作系统作为进程执行的控制者和协调者(3)系统实现—操作系统作为扩展机或虚拟机(4)资源管理—操作系统作为资源的管理者和控制者10.试述系统调用与函数（过程）调用之间的区别。
（1）调用形式和实现方式不同；（2）被调用的代码位置不同；（3）提供方式不同15.什么是多道程序设计？多道程序设计有什么特点？多道程序设计是指允许多个作业（程序）同时进入计算机系统内存并执行交替计算的方法。
从宏观上看是并行的，从微观上看是串行的。
（1）可以提高CPU、内存和设备的利用率；（2）可以提高系统的吞吐率，使单位时间内完成的作业数目增加；（3）可以充分发挥系统的并行性，使设备和设备之间，设备和CPU之间均可并行工作。
23.现代操作系统具有哪些基本功能？请简单叙述之。
（1）处理器管理；（2）存储管理；（3）设备管理；（4）文件管理；（5）联网与通信管理。
27.什么是操作系统的内核？内核是一组程序模块，作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作，通常驻留在内核空间，运行于内核态，具有直接访问计算机系统硬件设备和所有内存空间的权限，是仅有的能够执行特权指令的程序。
35.简述操作系统资源管理的资源复用技术。
系统中相应地有多个进程竞争使用资源，由于计算机系统的物理资源是宝贵和稀有的，操作系统让众多进程共享物理资源，这种共享称为资源复用。
（1）时分复用共享资源从时间上分割成更小的单位供进程使用；（2）空分复用共享资源从空间上分割成更小的单位供进程使用。
.二、2、52、答：画出两道程序并发执行图如下：(1)两道程序运行期间，CPU存在空闲等待，时间为100至150ms之间(见图中有色部分)。
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。
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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
12125818 王卫国 12125819 叶柏康 12125821 王 僖
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。