4.3.1 Paginación de memoria virtual

En sistemas operativos de computadoras, los sistemas de paginación de memoria dividen los programas en pequeñas partes o páginas. Del mismo modo, la memoria es dividida en trozos del mismo tamaño que las páginas llamados marcos de página. De esta forma, la cantidad de memoria desperdiciada por un proceso es el final de su última página, lo que minimiza la fragmentación interna y evita la externa.
En un momento cualquiera, la memoria se encuentra ocupada con páginas de diferentes procesos, mientras que algunos marcos están disponibles para su uso. El sistema operativo mantiene una lista de estos últimos marcos, y una tabla por cada proceso, donde consta en qué marco se encuentra cada página del proceso. De esta forma, las páginas de un proceso pueden no estar contiguamente ubicadas en memoria, y pueden intercalarse con las páginas de otros procesos.
En la tabla de páginas de un proceso, se encuentra la ubicación del marco que contiene a cada una de sus páginas. Las direcciones lógicas ahora se forman como un número de página y de un desplazamiento dentro de esa página. El número de página es usado como un índice dentro de la tabla de páginas, y una vez obtenida la dirección real del marco de memoria, se utiliza el desplazamiento para componer la dirección real. Este proceso es realizado en el hardware del computador.
De esta forma, cuando un proceso es cargado en memoria, se cargan todas sus páginas en marcos libres y se completa su tabla de páginas.
Paginación en memoria virtual
El único inconveniente del sistema de paginación pura es que todas las páginas de un proceso deben estar en memoria para que pueda ejecutar. Esto hace que si los programas son de tamaño considerable, no puedan cargarse muchos a la vez, disminuyendo el grado de multiprogramación del sistema. Para evitar esto, y aprovechando el principio de cercanía de referencias donde se puede esperar que un programa trabaje con un conjunto cercano de referencias a memoria (es decir con un conjunto residente más pequeño que el total de sus páginas), se permitirá que algunas páginas del proceso sean guardadas en un espacio de intercambio (en memoria secundaria) mientras no se necesiten.
Cuando la paginación se utiliza junto con memoria virtual, el sistema operativo mantiene además el conocimiento sobre qué páginas están en memoria principal y cuáles no, usando la tabla de paginación. Si una página buscada está marcada como no disponible (tal vez porque no está presente en la memoria física, pero sí en el área de intercambio), cuando la CPU intenta referenciar una dirección de memoria en esa página, la MMU responde levantando una excepción (comúnmente llamada fallo de página). Si la página se encuentra en el área de intercambio, se salta a una rutina que invoca una operación llamada un intercambio de página, para traer a memoria principal la página requerida. La operación lleva varios pasos. Primero se selecciona una página en memoria, por ejemplo una que no haya sido usada recientemente (para más detalles ver algoritmos de reemplazo de páginas). Si la página fue modificada, se escribe la misma en el espacio de intercambio. El siguiente paso en el proceso es leer la información en la página necesitada desde el espacio de intercambio). Cuando esto sucede, las tablas para traducción de direcciones virtuales a reales son actualizadas para reflejar los contenidos de la memoria física. Entonces el intercambio de página sale, y el programa que usó la dirección que causó la excepción es vuelto a ejecutar desde el punto en que se dio la misma y continúa como si nada hubiera pasado. También es posible que: una dirección virtual es marcada como no disponible, porque no fue localizada previamente. En estos casos, una página de memoria es localizada y llenada con ceros, la tabla de paginación es modificada para mostrar los cambios y el programa se reinicia como en el otro caso.