文档介绍：第六章虚拟存储器(Virtual Memory)
教学目的:
为了在内存空间运行超过内存总容量的大作业,或者同时运行大量作业,解决的方法是从逻辑上扩充内存容量,这正是虚拟存储技术所要解决的主要问题。本课要介绍虚拟存储技术实现的各种方案,每种方案所需的硬件和软件支持。
教学要求:
掌握虚拟存储器的理论基础和定义,熟悉虚拟存储器实现方式和特征。
掌握请求分页的页表机制、缺页中断机构和地址变换机构,熟悉页面的分配和置换策略、页面的分配的算法。
熟练掌握最佳置换算法、先进先出(FIFO)置换算法、最近最久未使用置换算法LRU,掌握Clock置换算法和页面缓冲算法;掌握有效访问时间计算,熟悉工作集概念。
掌握请求分段的段表机制、缺段中断机构和地址变换机构,熟悉分段的共享和保护。
虚拟存储器(Virtual Memory)的基本概念
问题的提出
物理存储器的结构是个一维的线性空间,容量是有限的。
用户程序结构:
一维空间
一个用户程序就是一个程序,并且程序和数据是不分离的;
二维空间程序由主程序和若干个子程序(或函数)组成,并且程序与数据是分离的;
n维空间即一个大型程序,由一个主模块和多个子模块组成,其中,各子模块又由主程序和子程序(或函数)组成。
用户程序的大小,可能比内存容量小,也可能比内存容量大,有时候要大得多。
如何将大于物理内存容量的用户程序装入运行?这就是提出研究虚拟存储器的原因,或称为虚拟存储技术发展的原动力。
虚拟存储器的基本思想:程序、数据、堆栈的大小可以超过内存的大小,OS把程序当前使用的部分保留在内存,而把其它部分保留在磁盘上,并在需要时在内存和磁盘之间动态交换。同时支持多道程序设计技术。
虚拟存储器的基本概念
一次性及驻留性的必要性?
虚拟存储器的引入

,程序在执行时在时间和空间上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4点:
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。
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。
程序中存在许多循环结构,循环体中的指令被多次执行。
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。
虚拟存储器的引入-1
所以局限性表现为:
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。
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。
2。虚拟存储技术
虚存:把内存与外存结合起来使用,从而得到一个容量很大的内存,这就是虚存。其逻辑容量由内存和外存容量之和决定。
虚拟存储器的引入-2
实现思想:
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,由请求调入或置换完成执行。这样,可使一个大用户程序在较小内存空间运行;也可使内存中有更多进程并发执行。
请求调入:
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。
置换:
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。
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。
3 虚拟存储器实现方式
1。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。
2。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