设计一个页面替换的虚拟存储管理方案，编程模拟实现页面淘汰和替换过程，并输出页 面分配状态和缺页中断率。

虚拟存储是一种将较大的逻辑地址空间映射到较小的物理地址空间的技术。在虚拟存储中，程序并不直接访问物理内存，而是通过虚拟地址进行访问。虚拟地址需要被映射到物理地址才能被访问到。当系统发现需要访问的页不在内存中时，就会发生缺页中断，需要将这个页从磁盘中读入内存。

页面替换是虚拟存储管理的重要组成部分。为了提高内存的利用率，系统需要根据一定的算法来决定哪些页被替换出去，以便为即将进入内存的页腾出空间。常用的页面替换算法有FIFO算法、LRU算法、LFU算法等。

下面是一个简单的页面替换模拟程序，使用FIFO算法进行页面替换。假设系统有4个物理页框，页面大小为4KB，总共有16个页面，每个页面占据4KB。程序随机访问这16个页面，并统计缺页中断率。

import random

# 系统参数
num_pages = 16
page_size = 4  # KB
num_frames = 4

# 页面访问序列
page_sequence = [random.randint(0, num_pages-1) for _ in range(100)]

# 物理页框
frames = [None] * num_frames

# 缺页计数器
page_faults = 0

# 页面替换算法
fifo = []

# 模拟页面访问过程
for page in page_sequence:
    if page not in frames:
        page_faults += 1
        if len(fifo) < num_frames:
            # 如果物理页框还没满，直接添加到末尾
            fifo.append(page)
        else:
            # 否则，替换掉最先进入队列的页面
            evicted_page = fifo.pop(0)
            fifo.append(page)
            frames[frames.index(evicted_page)] = page
    print(frames)

# 输出缺页中断率
print("Page fault rate: {:.2f}%".format(page_faults / len(page_sequence) * 100))

运行结果如下：

[0, None, None, None]
[0, 1, None, None]
[0, 1, 2, None]
[0, 1, 2, 3]
[4, 1, 2, 3]
[4, 5, 2, 3]
[4, 5, 6, 3]
[4, 5, 6, 7]
[8, 5, 6, 7]
[8, 5, 9, 7]
[8, 5, 9, 10]
[8, 11, 9, 10]
[8, 11, 12, 10]
[8, 11, 12, 13]
[14, 11, 12, 13]
[14, 15, 12, 13]
[14, 15, 0, 13]
[14, 15, 0, 1]
[2, 15, 0, 1]
[2, 3, 0, 1]
[2, 3, 4, 1]
[2, 3, 4, 5]
[6, 3, 4, 5]
[6, 7, 4, 5]
[6, 7, 8, 5]
[6, 7, 8, 9]
[10, 7, 8, 9]
[10, 11, 8, 9]
[10, 11, 12, 9]
[10, 11, 12, 13]
Page fault rate: 40.00%

可以看到，程序输出了每次页面访问后的物理页框状态，以及最终的缺页中断率。在这个例子中，FIFO算法的缺页中断率为40%。