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在当前的计算机（包括微型机）中，其可寻址空间远远大于实际配置的主存的空（容量）。例如386PC机，其地址位为3，则可寻址的空间为23=4GB；但实际配备的主存仅有8MB、16MB等。另一方面程序设计人员希望有一个大于（或等于）整个主存的空间供编程使用。这样就提出了虚拟存储器的概念。虚拟存储器概念是1961年英国曼彻斯特大学 Kilbrn等人提出的。
由操作系统将辅存的一部分当做主存使用因而扩大了程序可控制的空间。通常这种由主存和部分辅存组成的存储系统称为虚拟存储器。或者说，在主存和辅存之间，增加部分软件和必要的硬件支持，使主存和辅存形成一个有机整体，称为虚拟存储器。这种虚拟器的极念具有一般性的意义，可推广到其他很多领域。
虚拟存储器必须建立在主存一辅存结构上，但一般的主存存结构并不就是虚拟存储器。它们之间的本质区别是:
虚拟存储益仿佛扩大了整个主存的容量，用户可使用远远大于主存的空间。对主存一
辅存结构，用户只能使用主存或操作系统分配给的那部分主存。
虚存的存储地址称为虚拟地址，或逻辑地址其对应的存储容量称为虚存容量。对
于虚存来说，访问主存要进行虚一实地址变换。对于主存辅存结构，访问主存不
必进行这种地址变换。
对虚存的分配由操作系统完成，而主存辅存结构，其使用由应用程序进行。
从原理上看，虚拟存储器和 Cache-主体系有很多相似之处。虚存所采取的映像方式和 Cache-主存一样，也具有全相联映象、直接映象和组相联映象三种方式。而且这些映象方式也是先用于虚存，再移植到 Cache中。两者也多采用LRU替换算法，即最近最少使用算法。其思想是把存储器最近最少使用的存储块替换出去，以便将新的存储块调人。
但两暑也有明显区别， Cache-主存访问时间少，传送的信息块也小。虚存访问时间长，传送的信息块（段、页）比较大。
虚拟存储器本质上是这样一种技术:在主存一辅存结构的基础上，利用管理技术将一个实际存在的容量比较小的主存虚构（模拟）成（或者说让用户觉得有）一个容量相当大的存储空间（虚拟存储器空间），使用广能运行大规模（>主存容量）的程序。
在虚存中常把虚存空间分成若干个页，或者若干个段，或者分段后再将段分成页作为信息传送的基本单位，这种虚存的结构称为分页结构、分段结构和段页式结构。它们的地址格式每段每页都各由若干个存储页式地址格式单元构成。
结构化程序是以段为单位的，如主程序段、子程序段、数据段等；保护的基本单位也是以段为单位，如可执行段、只读段、可读/写段。段是不等长的。把主存也按段进行分配的存储器管理方法称为段式管理，支持段式管理的部件称为分段部件（SU）。段的逻辑独立性使它易于编译、保护等，也利于多道程序共享。
若将主存的物理空间划分成长度一定的区域，称为分页（面）。支持页式管理的部件称为分页部件（PU）。页式管理的优点是比较简单，存储空间利用率高，但是比起段式管理则保护、共享都不方便。
兼有段式和页式管理优点的是段页式管理方式，它的物理空间分页，逻辑空间（虚存空间）分段，段内分页。对用户来说，段页式系统和段式系统一样，用户只提供段号和段内位移量以及对该段施行的保护。对系统来说，段页式系统按页式管理的原则将段内位移分割成页号和页内位移。
根据虚拟存储器定义，可以知道虚拟存储器有三种地址空间:主存空间、辅存（磁盘）空间和虚存空间。虚存空间是程序员编写程序所需要的空间。对应这三种空间的有主存地址、辅存地址和虚拟地址。
所谓地址映象简单地说是把用户程序（虚拟地址）按照算法装入主存，准确地说是把虚存空间映象到主存空间，并建立用户虚拟地址和主存实地址之间的对应关系。
所谓地址变换是在运行程序时，使虚地址变换成主存实地址或者辅存地址。
无论是页式虚拟存储器、段式虚拟存储器还是段页式虚拟存储器，它们的基本原理都基本相同。