虚拟存储器（Virtual Memory）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。
物理和虚拟寻址
早期CPU直接使用物理寻址
现代CPU均才用虚拟地址寻址
虚拟寻址有何好处？
首先，假设地址总线是nbit，则其可寻址虚拟地址空间是[0-(2^n-1)]。而物理地址空间为[0 - M](比如128M或者4G)。这就说明，假设一个32bit地址总线的系统，其物理内存小于4G，但其可用虚拟地址空间依然是4G。
虚拟存储器作为缓存
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 = 2^p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：
1 unallocated 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。
2 cached (已分配)缓存的：当前缓存在物理存储器中的已分配页。
3 uncached (已分配)未缓存的：没有缓存在物理存储器中的已分配页。
页表 page table
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。
PTE0 为null，无效、未分配；
PTE1 有效、已经把VP1缓存；
PTE3 已分配，未缓存？
页命中——读取PTE[2]可以直接从DRAM中读取
缺页（page fault），即缓存不命中
缓存不命中（之前）
缓存不命中（之后）
CPU读取 PET[3] 发现VP3并未缓存在DRAM中，触发 page fault。此时，假设DRAM缓存已满，需要一个牺牲页，就选择了牺牲PP3，PP3已经缓存了数据VP4，如果VP4已经发生了修改，需要拷贝到disk，同时需要删除从PET[4]到DRAM的指向。
然后，从disk拷贝VP3到DRAM中的pp3，PET[3]指向DRAM的pp3。
最后执行触发 page fault的指令。
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）。