所謂虛擬存儲(chǔ)器(Virtual Memory)，就是采用一定的方法將一定的外存容量模擬成內(nèi)存，同時(shí)對(duì)程序進(jìn)出內(nèi)存的方式進(jìn)行管理，從而得到一個(gè)比實(shí)際內(nèi)存容量大得多的內(nèi)存空間，使得程序的運(yùn)行不受內(nèi)存大小的限制。虛擬存儲(chǔ)區(qū)的容量與物理主存大小無關(guān)，而受限于計(jì)算機(jī)的地址結(jié)構(gòu)和可用磁盤容量。
一、頁式虛擬存儲(chǔ)器
在頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，將程序按統(tǒng)一的大小劃分成多個(gè)頁，同時(shí)也將虛擬存儲(chǔ)器劃分為同樣大小的頁，其中虛擬空間的頁稱為虛頁（邏輯頁），而主存空間的頁稱為實(shí)頁（物理頁），并對(duì)這些頁按地址從低到高的順序編號(hào)。
在編程時(shí)，程序的虛地址由高位字段的虛頁號(hào)和低位字段的頁內(nèi)地址兩部分組成，虛頁號(hào)標(biāo)識(shí)頁。虛地址到實(shí)地址之間的變換是由頁表來實(shí)現(xiàn)的。頁表是一張存放在主存中的虛頁號(hào)和實(shí)頁號(hào)的對(duì)照表，記錄著程序的虛頁調(diào)入主存時(shí)被安排在主存中的位置。若計(jì)算機(jī)采用多道程序工作方式，則可為每個(gè)用戶作業(yè)建立一個(gè)頁表，硬件中設(shè)置一個(gè)頁表基址寄存器，存放當(dāng)前所運(yùn)行程序的頁表的起始地址。
頁表中的每一行記錄了與某個(gè)虛頁對(duì)應(yīng)的若干信息，包括虛頁號(hào)、裝入位和實(shí)頁號(hào)等。頁表基址寄存器和虛頁號(hào)拼接成頁表索引地址。根據(jù)這個(gè)索引地址可讀到一個(gè)頁表信息字，然后檢測(cè)頁表信息字中裝入位的狀態(tài)。若裝入位為1，表示該頁面已在主存中，將對(duì)應(yīng)的實(shí)頁號(hào)與虛地址中的頁內(nèi)地址相拼接就得到了完整的實(shí)地址；若裝入位為0，表示該頁面不在主存中，于是要啟動(dòng)I/O系統(tǒng)，把該頁從輔存中調(diào)入主存后再供CPU使用，若主存已滿，還需要使用替換算法替換頁。如圖所示給出了頁式虛擬存儲(chǔ)器的虛-實(shí)地址的變換過程。
頁式虛擬存儲(chǔ)器雖然能實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)，但它還存在一些不足。
（1）由于采用定長(zhǎng)的頁，雖然建立頁表方便，頁的調(diào)入也容易實(shí)現(xiàn)。但由于程序不可能正好是頁面的整倍數(shù)，那么后一頁的零頭將無法利用而造成空間浪費(fèi)。
（2）由于頁不是邏輯上獨(dú)立的實(shí)體，這給程序的處理、保護(hù)和共享等帶來了麻煩。
二、段式虛擬存儲(chǔ)器
在段式虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，將程序按其邏輯結(jié)構(gòu)劃分為段，各個(gè)段的長(zhǎng)度因程序而異。段式虛擬存儲(chǔ)器借助于段表來實(shí)現(xiàn)虛地址與實(shí)地址的轉(zhuǎn)換。段表中每一行記錄了某個(gè)段對(duì)應(yīng)的若干信息，包括段號(hào)、裝入位、段起點(diǎn)和段長(zhǎng)等。裝入位為1，表示該段已調(diào)入主存；裝入位為0，則表示該段不在主存中。段表其實(shí)本身也是一個(gè)段，可以存放在輔存中，但一般存放在主存中。
在段式虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，虛地址由段號(hào)和段內(nèi)地址兩部分組成，如圖3-18所示給出了段式虛擬存儲(chǔ)器的虛-實(shí)地址的變換過程。
由于段式虛擬存儲(chǔ)器的段具有邏輯獨(dú)立性，因此它易于程序的處理、保護(hù)和共享等操作，但是，因?yàn)槎蔚拈L(zhǎng)度參差不齊，給主存空間分配帶來了麻煩，同時(shí)很可能也會(huì)帶來一定的空間浪費(fèi)。
三、段頁式虛擬存儲(chǔ)器
段頁式虛擬存儲(chǔ)器是對(duì)段式、頁式虛擬存儲(chǔ)器的綜合，它先將程序按其邏輯結(jié)構(gòu)分段，再將每段劃分為若干大小相等的頁，同時(shí)將主存空間劃分為同樣大小的塊。
因?yàn)槎雾撌酱鎯?chǔ)管理對(duì)邏輯地址進(jìn)行了兩次劃分，次將邏輯地址劃分為若干段，第二次將每個(gè)段劃分為若干頁。因此，要對(duì)內(nèi)存正常尋址，不僅要知道將要訪問的地址屬于哪個(gè)段，也要知道該地址屬于該段的哪個(gè)頁。邏輯頁與物理塊一一對(duì)應(yīng)，所以需要頁表來記錄各頁對(duì)應(yīng)的塊號(hào)，且因?yàn)槊總€(gè)段都分成了很多頁，所以每個(gè)段都需要一個(gè)頁表。同時(shí)，作業(yè)分成了很多段，為了統(tǒng)一管理，系統(tǒng)需要知道每個(gè)段的分頁情況，所以又要設(shè)置一個(gè)段表來記錄每個(gè)段所對(duì)應(yīng)的頁表。
作業(yè)將要執(zhí)行其中的某個(gè)語句時(shí)，根據(jù)其地址計(jì)算出段號(hào)、頁號(hào)和頁內(nèi)地址。首先根據(jù)段號(hào)查找段表，得到該段的頁表的起始地址，然后查找頁表，得到該頁對(duì)應(yīng)的塊號(hào)，后根據(jù)塊的大小和頁內(nèi)地址計(jì)算出該語句的內(nèi)存地址。
