• 主存也可以成为磁盘的cache，这项技术叫做虚拟存储器
• 每个程序有自己独立的内存空间
• 主存只要存放程序中活跃的那一部分即可，这也是局部性原理
• VM和cache的原理是一样的，不过VM中块被叫做页
• 采用全相联的方式组织
  • 降低了缺失率
  • 可以使用复杂的替换机制优化
  • 由于使用了页表，不需要进行查找
  • 和直接映射组织法很像，主要区别是多了一个额外的页表，同时可以在任意位置替换，而不是一一对应

• 允许在多个程序之间同时安全地共享存储器
• 消除有限的主存容量对程序设计的限制

• 虚拟地址可以比物理地址长
• 虚拟地址由处理器产生，再由页表转换成物理地址（即主存中的地址）
• 连续的虚拟地址可以被映射到不连续的物理地址
  • 这种重定位允许我们将程序加载到主存的任意位置
• 多个虚拟地址可以映射到同一个物理地址
  • 这使得不同的程序可以共享一部分代码
• 虚拟地址分割为虚拟页号和页内偏移
  • 物理页和虚拟页一样大
  • 虚拟页号转换为物理页号，偏移不变

页表

• 存放在主存中

• 以虚拟页号为索引，存放物理页号

• 每个程序都有私有的页表

  • 每个程序都有一个页表寄存器指向相对的页表开头
  • 只保存寄存器，并不保存整个页表

• 更新页表由操作系统负责

• 页表不需要tag,因为包含了每个可能的虚拟页的映射

• 减少页表大小

  • 使用多级页表，未被使用的虚拟内存段在第二级即以上不分配页表项
  • 将未使用的页表放入磁盘中
    

缺页

• 操作系统在创建一个进程（程序）的时候会在磁盘上单独分配一部分空间来储存物理页
  • 这个区域被称作交换区
  • 同时会创建一个数据结构（新页表）来储蓄物理页到磁盘页的映射，这个结构可能是页表的一部分，也可能单独存放在主存上
• 缺页后被换出的物理页被写入交换区
• 由于写的时间很长，因此最好采用回写法
• 由于对于磁盘访问时间传输数据的时间要少很多，因此把整个页通过写回法放入磁盘中更好

快表（TLB）

• 由于页表储存在主存中，每次访问虚拟地址需要访问两次主存
  • 第一次获得物理地址
  • 第二次获得数据
• 对于页项的使用也具有局部性
• 通过一个特殊的cache（TLB)存储最近使用过的页表项
  • 全相联组织

结合主存的cache和页表的cache（TLB）

• cache采用物理地址
  • 先要访问TLB再访问cache，如下1图
• cache采用虚拟地址
  • 直接通过虚拟地址访问cache，当cache缺失时转成物理地址，如下2图
  • 问题是可能不同程序将不同的虚拟地址映射到同一个物理地址，于是同一个物理地址中的数据可能存在于cache中不同的位置，两个程序不知道相互间的数据变化
• 如果页表发生缺页，那么cache不可能命中.如下3图

• 用户进程不能更改自己的页表，操作系统负责修改页表。
• 页表放在保护地址空间
• 当从进程A切换到进程B时，不仅需要切换页表寄存器指向，还要清空TLB中属于A的表项
  • 或者可以通过增加一个进程标识符来避免清空