1、一个系统中的进程是与其他进程共享CPU和主存资源的。
2、虚拟存储器（Virtual Memory），是硬件异常，硬件地址翻译，主存，磁盘文件和内核软件的完善交互，它为每个进程提供一个大的，一致的，私有地址空间。通过一个清晰的机制，虚拟存储器提供了三个要重的能力：它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据，通过这种方式，它高效的利用了主存；它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了存储器管理；它保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
3、物理和虚拟寻址
计算机系统的主存被组织成一个由M个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个惟一的物理地址（physical address,PA）。第一个字节地址是0，接下来的字节地址为1，...
早期的PC使用物理寻址，而且诸如数字信号处理器，嵌入式微控制器以及Cray超级计算机这样的系统仍然继续使用这种寻址方式。而为通用计算机设计师的现代处理器使用的是虚拟寻址（virtual addressing）。
MMU（memory management unit，存储器管理单元），利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容由OS管理。
4、地址空间
地址空间为非负整数地址的有序集合：｛0，1，2，...｝
如果地址是连续的，则称为线性地址空间。如果计算机有n位地址总线，在一个带有虚拟存储器的系统中，CPU从一个有N = 2n个地址的地址空间中生成虚拟地址，这个地址称为虚拟地址空间：｛0，1，2，...,N-1｝
物理地址空间，与物理存储器的M个字节相对应：｛0，1，2，...M-1｝
M不要求是2的幂。
允许每个数据对象（字节）有多个独立的地址（属性），其中每个地址都选自一个不同的地址空间，就是虚拟地址的基本思想。主存中的每字节都有一个选自虚拟地址空间的虚拟地址，和一个选自物理地址空间的物理地址。
5、虚拟存储器作为缓存的工具
概念上言，虚拟存储器被组织为一个由存放在磁盘上的N个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个惟一的虚拟地址，这个惟一的虚拟地址是作为到数组的索引的。磁盘上数组的内容被缓存到主存中。和存储器层次结构中其他缓存一样，磁盘（较低层）上的数据被分成块，这些块作为磁盘和主存（较高层）之间的传输单元。VM系统通过将虚拟存储器分割成称为虚拟页（virtual page,VP）的大小固定的块，来处理这个问题。每个虚拟页的大小为P = 2p字节。类似地，物理存储器被分割成物理页（physical page,PP），大小也为P字节（物理页也被称为页帧，page frame）。
在任意时刻，虚拟页面的集合都分为三个不相交的子集：
未分配的：VM系统还未分配或创建的页。未分配的块没有任何数据与它们相关联，因此也就不占用任何磁盘空间。
缓冲存：当前缓存在物理存储器中的已分配页。
未缓存的：没有缓存在物理存储器中的已分配页。
因为大的不命中处罚和访问第一字节的开销，虚拟开销趋向于很大，典型地是4~8KB。由于大的不命中处罚，DRAM缓存是全相联的。也就是说，任何虚拟存储页都可以放置在任何的物理页中。DRAM缓存总是使用写回(write back)。
1）页表
存放在物理存储器一个数据结构，叫做页表（page table）。页表将虚拟页映射到物理页。
页表就是一个PTE（page table entry，页表条目）的数组。虚拟地址空间中的每个页在页表中的一个固定偏移量处都有一个PTE。
NULL：未分配。
VP3，VP5：已分配，但是还未被缓存。
VP1：已分配，已缓存。
2）页命中
3）缺页
DRAM缓存不命中称为缺页（page fault）。
在虚拟存储器的习惯用法中，块被称为页。在磁盘和存储器之间传送页面的活动收做交换（swapping）或者页面调度（paging）。一直等待，直到最后时刻，也就是当有不命中发生时，才换入页面的这种策略被称为换需页面调度（demand paging）。
4）分配页面
利用unix的getrusage函数监测缺页的数量。
6、虚拟存储器作为存储器管理的工具
OS为每个进程提供一个独立的页表，因而也就是一个独立的虚拟地址空间。
1）简化链接
每个linux进程都使用如图示格式。
用户栈总是从虚拟地址0xbfffffff向下伸展。程序总是从虚拟地址0x08048000处开始，共享对象总是加载在从虚拟地址0x4000000处开始的区域。
2）简化共享
一般，每个进程都有自己私有的代码，数据，堆，栈区域，是不和其他进程共享页面的。
然而，在一些情况下，还是需要进程来共享代码，数据，如内核代码，C的库函数。OS通过将不同进程中适当的虚拟页面映射到相同的物理页面，从而安排多个进程共享这部分代码的一个拷贝。
3）简化存储器分配
当一个运行在用户进程中的程序要额外堆空间时，OS分配一个适当数字，如k个连续的虚拟地址空间，并且将它们映射到物理存储器中任意位置的k个任意的物理页面（不必要连续，可以是分散地分配）。
4）简化加载
映射一个连续虚拟页面的集合到任意一个文件中的任意一个位置的概念叫做存储器映射（memory mapping）。
7、虚拟存储器作为存储器保护的工具
1、地址翻译，是一个N元素的虚拟地址空间（VAS）中的元素和一个M元素的物理地址空间（PAS）中元素之间的映射。
2、CPU中的一个控制寄存器，叫做页表基址寄存器（page table base register,PTBR）指向当前页表。N位的虚拟地址包含两个部分：一个p位的VPO（virtual page offset,虚拟页面偏移）和一个n-p位的VPN（virtual page number）。MMU利用VPN来选择适当的PTE。如VPN0选择PTE0。因为物理和虚拟页面都是p字节的，所以PPO（physical page offset物理页面偏移）和VPO是相同的，所以，将页表条目中PPN（physical page number,物理页号）和虚拟地址中的VPO串联起来，就是相应的物理地址。
3、页面命中完全由硬件处理的，而处理缺页要求硬件和OS内核协作完成。
PTEA：页表条目地址，PTE：页表条目，PA：物理地址。
4、结合高速缓存和虚拟存储器
大多数系统是选择物理寻址的方式来访问高速缓存。使用物理寻址，多个进程同时在高速缓存中有存储块和共享来自相同虚拟页面的块成为简单的事情。而且，高速缓存无需处理保护的问题，因为访问权限的检查是地址翻译过程中一部分。
5、利用TLB加速地址翻译
在MMU中包括一个关于PTE的小的缓存，称为TLB。TLB是一个小的，虚拟寻址的缓存，其中每一行都保存着一个由单个PTE组成的块。
6、用来压缩页表的常用方法是使用层次结构的页表。
1）页表
每个pentium系统都使用如图所示两级页表。