虚拟存储器详解：主存-外存层次与存储保护

"虚拟存储器-计算机组成原理总复习" 虚拟存储器是计算机组成原理中的一个重要概念，它是一种技术，允许用户访问一个比实际物理内存（主存）更大的地址空间，这种地址空间被称为虚拟地址空间。实际上，虚拟存储器通过在主存和辅助存储器（如硬盘）之间建立层次结构来实现。它利用了主存速度快但容量小，而外存容量大但速度慢的特点，使得程序可以在需要时将部分数据从外存调入主存进行处理，不常用的数据则存储在外存，这样就创建了一个逻辑上连续且容量极大的存储空间。 虚拟存储器主要分为三种类型：页式、段式和段页式。页式虚拟存储器是基于固定大小的页进行管理，每个进程的地址空间被划分为若干个固定大小的页，这些页可以分散地存储在外存，并在需要时按需装入主存。段式虚拟存储器则是将地址空间划分为逻辑相关的段，每个段有自己的起始地址和长度，这种方式更适合于模块化编程。段页式虚拟存储器结合了页式和段式的优点，先将地址空间划分为段，然后每个段内部再划分为页，双重映射使得管理和寻址更为灵活。 在多用户共享主存的环境下，存储保护是必不可少的。存储保护的目的是防止一个用户程序对其他用户或系统程序的数据进行非法访问。这通常通过设置存储区域保护和访问方式保护来实现，例如，使用权限位来标记每个地址区域的访问权限，只有拥有相应权限的进程才能访问。此外，某些计算机系统会提供特权指令，只有操作系统等具有高权限的软件才能执行，以防止用户程序误操作关键系统资源。 在计算机系统结构的上下文中，虚拟存储器是连接CPU、主存和外存的关键环节。它位于冯·诺依曼计算机体系结构的中央处理器、主存和总线之间。中央处理器包含运算器和控制器，负责执行指令和计算；主存作为临时存储，存放当前运行程序的代码和数据；总线则负责在各个组件之间传输信息。虚拟存储器技术使得计算机能够有效地管理有限的主存资源，提高系统的整体性能，同时支持多个程序并发执行。 虚拟存储器的实现涉及到硬件（如地址映射机制、页面替换算法等）和软件（如操作系统中的内存管理）的紧密配合。例如，操作系统中的页表或段表用于记录虚拟地址与物理地址之间的映射关系。当CPU试图访问一个虚拟地址时，硬件会检查这个地址的有效性并进行地址转换，如果页面不在主存中，就会触发页面替换算法将某一页调出到外存，将所需页面调入主存。 虚拟存储器是现代计算机系统中不可或缺的一部分，它极大地扩展了可用的内存空间，提高了系统效率，同时也为多任务处理和存储保护提供了基础。掌握虚拟存储器的工作原理和实现方法对于理解计算机系统的运作至关重要。