4.4.2-虚拟存储器（教案）-《计算机原理》同步教学（电子工业出版社第3版）

教案 编号：PTGZ-289 流水号：056 （首页）共 4页 课程 《计算机原理》 一体化 理论 章节（课题）及内容 虚拟存储器 班级日期 中职 2024.04 授课方式 讲授与任务驱动相结合 课时 1 作业题数 1 拟用时间 40分钟 教学目标 使学生理解以下理论知识： · 了解虚拟存储器的概念和基本原理。 · 掌握虚拟存储器的地址转换过程和页面置换算法。 · 分析虚拟存储器对计算机性能的影响。 教学资源准备 多媒体设备 课本教材 学生练习素材 教学重点 1. 虚拟存储器的概念和基本原理。 2. 虚拟存储器的地址转换过程和页面置换算法。 教学难点 1. 如何理解虚拟存储器的地址转换过程。 2. 如何分析虚拟存储器对计算机性能的影响。 教学方法 讲授法、任务驱动法、演示法、体验探究法等。 1. 直观展示法：通过电路图和时序图直观展示虚拟存储器的结构和工作原理。 2. 对比分析法：对比虚拟存储器与传统存储器（如主存、外存）的特性和性能。 3. 案例分析法：结合具体的计算机系统应用案例，分析虚拟存储器的实际应用。 授课教师： 审阅签名： 教学过程 教学活动内容 时间分配教学方法 课前导入 1. 提问引导：大家知道计算机中的存储器有哪些种类吗？它们各自的特点是什么？ 2. 背景介绍：简要介绍计算机存储器的发展历程，引出虚拟存储器的概念。 2分钟 讲授新课 练习指导 1. 虚拟存储器的概念和基本原理 2. 1. 介绍虚拟存储器的定义，以及它在计算机系统中的作用。 2. 分析虚拟存储器如何通过软件手段扩大主存容量。 3. 虚拟存储器的地址转换过程 4. 4. 阐述虚拟地址和物理地址的概念。 4. 介绍虚拟地址到物理地址的转换过程，包括页表查找和地址映射。 5. 虚拟存储器的页面置换算法 6. 6. 介绍最佳置换（OPT）、先进先出（FIFO）和最不经常使用（LFU）三种页面置换算法。 6. 分析每种算法的特点和适用场景。 虚拟存储器（Virtual Memory）是一种内存管理技术，它允许计算机操作系统将部分程序和数据存储在硬盘等非易失性存储设备上，而不是完全依赖于物理内存（RAM）。虚拟存储器的主要目的是在物理内存有限的情况下，提供尽可能大的地址空间供用户程序使用。 虚拟存储器的工作原理可以概括为以下几个步骤： 1. **逻辑地址映射**：当中央处理器（CPU）需要访问内存时，它首先使用逻辑地址。这个逻辑地址被分解成两部分：组号（用于确定数据所在的内存块）和组内地址（用于定位块内的具体位置）。 2. **地址转换**：操作系统使用动态地址转换表（Address Translation Table，简称ATT）将逻辑组号映射到物理组号。这个映射过程可能涉及将部分数据从物理内存移动到硬盘上的“页面文件”中，以腾出空间来加载其他数据。 3. **物理地址计算**：操作系统根据物理组号和组内地址计算出实际的物理内存地址，然后CPU就可以在这个地址上读取或写入数据。 4. **数据交换**：当需要访问的数据不在物理内存中时，操作系统会将这部分数据从硬盘上的“页面文件”中加载到物理内存中。这个过程称为“页面置换”（Page Swapping）。 虚拟存储器的工作原理依赖于硬件（如CPU和内存控制器）和操作系统的协同工作。操作系统负责管理虚拟内存空间、地址转换表和页面文件，而硬件则负责执行实际的地址转换和数据读写操作。虚拟存储器使得计算机能够在有限的物理内存下运行较大的程序，提高了系统的灵活性和性能。 虚拟存储器的地址转换过程和页面置换算法是其工作原理的核心组成部分 1. **地址转换过程**： 虚拟存储器的地址转换过程主要包括以下几个步骤： - 将虚拟地址分解成组号和组内地址。 - 使用地址转换表（ATT）将虚拟组号映射到物理组号。 - 根据物理组号和组内地址计算出实际的物理内存地址。 地址转换过程的关键是地址转换表（ATT）的使用。ATT是一个数据结构，用于存储虚拟地址到物理地址的映射关系。在访问内存时，CPU首先查找ATT，找到对应的物理地址，然后访问该地址。 2. **页面置换算法**： 页面置换算法是虚拟存储器中用于确定哪些内存页面应该被替换的策略。以下是几种常见的页面置换算法： - **最佳置换（OPT）算法**：OPT算法是一种理论上的算法，它选择最长时间内不会被访问的页面进行替换。由于预测未来的访问模式是非常困难的，因此OPT算法通常只用于理论研究。 - **先进先出（FIFO）算法**：FIFO算法是一