虛擬存儲(chǔ)器現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要特征

虛擬存儲(chǔ)器及其管理技術(shù)是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要特征之一，它將外存資源與內(nèi)存資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，解決了用較小容量的內(nèi)存運(yùn)行大容量的軟件問題。本節(jié)將給出虛擬存儲(chǔ)器的概念，并討論虛擬存儲(chǔ)器管理的三種方法：分頁存儲(chǔ)管理、分段存儲(chǔ)管理和段頁存儲(chǔ)管理。

5.6.1　虛擬存儲(chǔ)器

從操作系統(tǒng)的角度看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源分為兩大類：一類是硬件資源，包括微處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備；另一類是軟件資源，即程序和數(shù)據(jù)。這些資源構(gòu) 成了系統(tǒng)程序和用戶作業(yè)賴以活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和工作環(huán)境。針對(duì)這些資源，操作系統(tǒng)的資源管理程序分為4個(gè)部分：處理器管理、存儲(chǔ)器管理、外部設(shè)備管理和文件 管理。

早期開發(fā)的操作系統(tǒng)只支持單任務(wù)、單用戶系統(tǒng)，對(duì)存儲(chǔ)器的管理比較簡(jiǎn)單。如MSDOS就是在8086/8088環(huán)境下開發(fā)的磁 盤操作系統(tǒng)，只支持單任務(wù)、單用戶操作；它可管理的內(nèi)存空間最大為1MB，其中供用戶程序占用的空間只有640KB，并且在內(nèi)存管理上采用靜態(tài)分配方式， 不支持虛擬存儲(chǔ)器；在運(yùn)行程序時(shí)，必須把用戶程序一次調(diào)入內(nèi)存。而目前使用的Windows操作系統(tǒng)突破了DOS內(nèi)存1MB的限制，內(nèi)存最大可達(dá) 4096MB，支持多任務(wù)、多用戶操作，采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配管理方式，并且具有虛擬存儲(chǔ)器管理功能。

虛擬存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱虛存）實(shí)際上是一 種由操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理軟件對(duì)內(nèi)存和外存資源進(jìn)行統(tǒng)一分配和程序調(diào)度的存儲(chǔ)器管理技術(shù)。它將內(nèi)存和外存統(tǒng)一編址，形成一個(gè)比內(nèi)存空間大許多的存儲(chǔ)空間，稱 為虛擬存儲(chǔ)空間。虛擬地址空間的大小由CPU存儲(chǔ)管理體系結(jié)構(gòu)決定，并由外部存儲(chǔ)器支持。虛擬存儲(chǔ)器的地址稱為虛擬地址或邏輯地址（用戶在編制程序時(shí)使用 的地址）。用戶在編制程序時(shí)可以不受內(nèi)存空間大小的限制，在虛擬存儲(chǔ)空間內(nèi)自由編程，使得具有較小內(nèi)存空間的系統(tǒng)能夠運(yùn)行大容量程序。

虛擬存儲(chǔ)器的工作原理是：在執(zhí)行程序時(shí)，允許將程序的一部分調(diào)入內(nèi)存，其他部分保留在外存。即由操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理軟件先將當(dāng)前要執(zhí)行的程序段（如主程 序）從外存調(diào)入內(nèi)存，暫時(shí)不執(zhí)行的程序段（如子程序）仍保留在外存，當(dāng)需要執(zhí)行存放在外存的某個(gè)程序段時(shí)，由CPU執(zhí)行某種程序調(diào)度算法將它們調(diào)入內(nèi)存。

5.6.2　分頁存儲(chǔ)管理

1.分頁存儲(chǔ)管理的基本原理

分頁存儲(chǔ)管理的基本原理是：將內(nèi)存空間和虛存空間分別等分為大小相等的若干頁，頁的大小為2n個(gè)字節(jié)，如210（1KB）、211（2KB）、 212（4KB）等，并且為每個(gè)頁按順序指定一個(gè)頁號(hào)，即0頁、1頁、2頁……為了敘述方便，這里把內(nèi)存的頁（物理頁或絕對(duì)頁）稱為頁面。例如，若內(nèi)存空 間為8KB，虛存空間為16KB，頁的大小為1KB，則內(nèi)存空間可分為8個(gè)頁面，其頁面號(hào)為0～7；虛存空間可分為16個(gè)頁，其頁號(hào)為0～15。當(dāng)運(yùn)行程 序時(shí)，以“頁”為單位進(jìn)行地址映射。即操作系統(tǒng)以頁為單位把邏輯頁從外存調(diào)入內(nèi)存，存放在物理頁面上，供CPU執(zhí)行。

2.分頁存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換

在分頁存儲(chǔ)管理中，需要解決的關(guān)鍵問題是：選擇哪一個(gè)物理頁存放調(diào)入的邏輯頁如何將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址為了解決這些問題，系統(tǒng)為每一個(gè)頁建立一個(gè)頁 表，保存在內(nèi)存中，存放頁的若干信息，如頁號(hào)、容量、是否裝入內(nèi)存、存放在內(nèi)存的哪一個(gè)頁面上等。CPU訪問某頁時(shí)，首先要查找頁表，判斷要訪問的頁是否 在內(nèi)存，若在內(nèi)存為命中，否則為未命中；然后將未命中的頁按照某種調(diào)度算法由外存調(diào)入內(nèi)存，并根據(jù)邏輯頁號(hào)和存放的物理頁面號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將邏輯地址轉(zhuǎn)換 為物理地址。分頁存儲(chǔ)管理的地址轉(zhuǎn)換示意圖。

存儲(chǔ)單元的物理地址由頁面號(hào)和頁內(nèi)地址兩部分組成，如（a）所示。8KB內(nèi)存的頁內(nèi)地址 由地址線A9～A0提供，可尋址1KB的頁內(nèi)存儲(chǔ)空間，地址范圍為0～1023；頁面號(hào)由高3位地址線A12～A10提供，8個(gè)頁面的頁面號(hào)為0～7。由 此可以看出，頁面存儲(chǔ)單元的物理地址為：頁的大小×頁面號(hào)+頁內(nèi)地址。

虛擬地址（邏輯地址）的確定方法與物理地址的確定方法完全相 同，也是由頁號(hào)和頁內(nèi)地址兩部分組成，如（b）所示。16KB虛存空間可分為16頁，頁內(nèi)地址由虛擬地址線A9～A0提供，其頁號(hào)0～15由虛擬在進(jìn)行地 址轉(zhuǎn)換時(shí)，由于邏輯頁和物理頁的大小相等，它們的頁內(nèi)地址是相同的，所不同的是頁號(hào)，只要將邏輯地址的頁號(hào)轉(zhuǎn)換為物理地址的頁面號(hào)即可。在中，給出1號(hào)邏 輯頁中某條指令訪問數(shù)據(jù)的邏輯地址為1024×1+4521476，它存入內(nèi)存7頁面上所對(duì)應(yīng)的物理地址為1024×7+4527620。