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欢迎来到计算机组成原理的课堂！今天我们要学习一个非常重要的概念——页式虚拟存储器。首先让我们了解什么是虚拟存储器。传统的物理内存存在很多问题：容量有限，当程序需要的内存超过物理内存大小时就无法运行；多个程序同时运行时容易发生冲突；还会产生内存碎片化问题。为了解决这些问题，计算机科学家们发明了虚拟存储器技术。虚拟存储器为每个程序提供了一个比物理内存更大的虚拟地址空间，程序之间相互隔离，提高了系统的安全性和稳定性。
现在让我们深入了解页式存储的工作原理。页式存储的核心思想是将程序和数据分割成固定大小的页面，就像把一本厚书分成很多页一样。每个页面的大小通常是4KB，也就是4096个字节。为什么选择4KB呢？这是在内存利用率和管理开销之间的一个平衡点。页面太小会增加管理开销，页面太大会造成内存浪费。虚拟页面通过页表映射到物理内存的页框中。页表就像一个地址簿，记录着每个虚拟页面对应的物理页框位置。当程序访问某个虚拟地址时，系统会查找页表，找到对应的物理页框，然后进行实际的内存访问。这种映射机制使得程序可以使用连续的虚拟地址空间，而实际的物理内存可以是不连续的。
现在让我们跟随卡通邮递员来了解地址转换的详细过程。地址转换是页式虚拟存储器的核心机制，就像邮递员投递邮件一样，需要准确找到目标地址。首先，系统会将虚拟地址分离成两部分：页号和页内偏移。页号位于地址的高位部分，用来索引页表；页内偏移位于低位部分，表示在页面内的具体位置。接下来，系统使用页号作为索引去查找页表，页表中存储着虚拟页号到物理页框号的映射关系。找到对应的页表项后，系统获取物理页框号。最后，将物理页框号与原来的页内偏移组合，就得到了最终的物理地址。举个例子，在32位系统中，如果页面大小是4KB，那么页号占20位，页内偏移占12位。当虚拟地址为0x1234时，页号是1，偏移是0x234，通过页表查找得到页框号0，最终物理地址就是0x0234。
现在让我们深入了解页表的内部结构。页表不仅仅是简单的地址映射，它包含了多个重要的控制字段，每个字段都有特定的作用。首先是有效位，用V表示，它控制页面是否在物理内存中。当有效位为1时，表示页面在内存中可以直接访问；当有效位为0时，表示页面不在内存中，访问时会触发缺页异常。访问位用A表示，记录页面是否被访问过，这个信息对页面替换算法很重要。修改位用M或D表示，标记页面是否被修改过，如果页面被修改过，在替换时需要写回磁盘。保护位包括读、写、执行权限，用RWX表示，控制程序对页面的访问权限。最后是物理页框号，指向实际的物理内存页框。这些控制位在系统运行时发挥重要作用：当程序访问内存时，硬件首先检查有效位，如果有效则继续访问并设置访问位；如果无效则触发缺页异常；同时还要检查保护位确保访问权限正确。
现在让我们跟随卡通警察角色来了解缺页异常的完整处理过程。当程序访问一个不在物理内存中的页面时，硬件会检测到页表中的有效位为0，立即触发缺页异常。这时操作系统就像警察一样迅速介入，首先保存当前程序的执行现场，然后分析异常的原因。接下来是关键的页面替换过程。由于物理内存空间有限，系统需要选择一个牺牲页面来腾出空间。这里使用LRU算法，也就是最近最少使用算法，选择最久没有被访问的页面作为牺牲者。在我们的例子中，页面A的访问时间是t=1，是最早的，所以被选为牺牲页面。如果被替换的页面曾经被修改过，系统需要先将它写回磁盘保存；然后从磁盘加载需要的新页面到这个位置。最后，系统更新页表项，将新页面的映射关系记录下来，并恢复程序的执行。整个过程对用户程序是透明的，程序感觉不到这个复杂的页面替换过程。