虚拟内存技术的前世今生
你是否想过，在20世纪60年代，计算机内存昂贵如金，而软件却日益庞大？怎么办？虚拟内存技术应运而生，它让内存耗量大的软件也能在内存小的计算机上运行，开启了计算新纪元。不仅如此，后续引入的安全及可靠性特性，更让它赢得市场青睐。
回到1940-50年代，大型程序必须自行管理主存和辅存，比如使用Overlaying技术。虚拟内存的诞生不止扩展了主存，更让编程变得简单。早期系统如PDP-10，常通过分配内存给多程序来实现多任务，而非虚拟内存。
1956年，虚拟内存概念首次由德国物理学家Fritz-Rudolf Güntsch在其博士论文中提出：他描述了一台机器，主存仅6100字，地址空间却达1000100字，硬件自动在内存和辅存间搬移数据块。
换页技术——虚拟内存的核心——首次在曼彻斯特大学实现，用于扩展Atlas计算机的内存，将16384字主存与98304字辅存结合。Atlas于1962年发布，但原型早在1959年完成。1961年，Burroughs Corporation独立推出首台商用虚拟内存计算机B5000，采用段式而非页式技术。
虚拟内存融入主流操作系统前，挑战重重：动态地址转换需要昂贵硬件，初期甚至拖慢内存速度。许多人担心系统层算法效率不如应用层。直到1969年，IBM研究团队由David Sayre带领，证明虚拟内存overlay系统优于手动控制，终结争议。1970年代，IBM 370基于虚拟内存的操作系统，让商业用户将老系统迁移到更强大大型机，性价比飙升。首台虚拟内存小型机是Norwegian NORD-1，随后其他机型纷纷跟进。
X86架构中，Intel 80286首次引入虚拟内存，但段交换技术效果有限；Intel 80386才真正支持换页技术。
虚拟内存技术发展时间线
虚拟内存作为内存管理技术，通过软硬件将程序虚拟地址映射到物理地址，实现：
程序可独占全部虚拟地址空间：各程序地址不冲突，同样虚拟地址可映射不同物理地址；程序可拥有连续地址空间：将零碎物理地址整合为连续空间。
操作系统管理映射关系，依赖CPU的内存管理单元（MMU）自动转换地址。
虚拟内存的最大好处是让应用免于内存管理，提升安全性，并突破物理内存限制。
但注意，现代操作系统虽让进程独占地地空间，嵌入式系统却常弃用虚拟内存。原因：它可能引发不可预知延时（如从辅存读数据），且需要硬件支持，而嵌入式CPU未必具备。
虚拟地址空间大于物理内存，必然触发内存与外部存储的数据交换。1960年代早期，虚拟内存交换整个应用，而非按页替换，运行中程序先挂起。对大程序，可分割成多份在不同时间共享内存，但这并非换页。后续架构使用内存分段，整体交换代码或数据段，但需解决内存碎片问题。页表的发明让处理器工作在抽象连续空间，页成为交换基本单位。
当软件访问不在内存的页时，处理器触发Page fault，控制权转给操作系统，操作系统则：
1. 定位硬盘数据；
2. 获取RAM空页帧；
3. 加载数据；
4. 更新页表；
5. 返回控制权，重执行指令。
若无空页帧，操作系统选择一页驱逐。若页帧“脏”（数据被修改），需先回写硬盘。程序后续引用该页，会再次触发Page fault和切页。
1960年代大型机和1980年代中期个人电脑操作系统多无虚拟内存，但例外包括：
· Altas的Altas Supervisor
· Electrologica X8的THE multiprogramming system（纯软件虚拟内存）
· Burroughs B5000的MCP
· IBM System/360 Model 67的MTS,TSS/360,CP/CMS
· GE 645的Multics
· RCA Spectra 70/46的Time Sharing Operating System
以及个人电脑Apple Lisa的操作系统。
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