OSTEP 全称叫《Operating System：Three Easy Pieces》，从 virtualization, concurrency, 和 persistence 三个角度谈论操作系统的设计和实现，是威斯康辛的研究生教材，即使本科不修 CS 的人也可以阅读，写得非常通俗易懂，是值得推荐的操作系统入门读物，难度较 CSAPP 低一点，可以先读这本再去看 CSAPP。书籍的章节 PDF 是开源的，地址在：http://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/。
Multiprogramming and Time Sharing
早期的系统没有提供很好的抽象，机器的物理内存中的内容通常如下图所示：
操作系统占据了从物理内存起始位置开始到 64 KB 的一段空间，剩余的空间用来存放当前运行的程序的代码、数据等信息。随着机器变得越累越贵，人们期望高效的共享机器的计算资源，multiprogramming 诞生，意为多个进程可以同时准备运行，然后 OS 在它们之间进行切换（例如当某个进程需要等待 IO 输入的时候），这种效率上的提升在当时非常重要，因为机器实在非常昂贵。
紧接着，人们不满足于仅仅让多个进程切换运行，他们继续采用 time sharing 的机制划分单个进程的时间片，从而进一步提升运行效率。实现 time sharing 的一个方法是让某个进程在那个时间点使用全部的物理内存，然后由 OS 将上下文保存到磁盘上，让出时间片给另一个进程执行，这种缺点在于效率太低，保存寄存器是很快的，但是保存物理内存的内容非常慢。解决办法就是在物理内存上给每个进程分配一块空间，上下文都保存在这些地方，用于切换。
例如下图中有三个进程 ABC，分别占据 64KB 的内存空间，假设我们仅有一个核，那当 OS 选择进程 A 运行时，B 和 C 就在内存中等待被调度。
随着 time sharing 技术的流行，进程需要在物理内存中各自占据一块地盘保存数据，这时候如何保障隔离性就很关键，严格限制进程 A 不能访问到进行 B 的数据。
The Address Space
为了达到这个目的，OS 必须提供一个简单易懂的抽象，我们称之为地址空间。下图是一个例子，该地址空间属于某个进程，大小为 16 KB，其中头部存储进程的 code，堆和栈分别位于空间的两端并同时相向扩张，其中栈上用来存放函数调用关系、返回地址、本地变量等；堆里存储各种需要动态分配的内容，例如 java 中 new 出来的对象。
当然这张图仅仅是个抽象，真正的物理内存中该进程的起始地址肯定不是 0 而是某个具体的物理地址，那么问题来了，OS 怎么抽象物理内存，让进程感觉自己就是从 0 到 16 KB，好像独占物理内存似的运行呢？例如当进程 A 需要从起始位置 load 代码，那么 OS 需要定位到实际物理内存中的起始位置。虚拟化内存有三个目标，第一是足够透明，第二是足够高效，第三是安全性，实现这些的机制叫做地址翻译。
Address Translation
当我们谈 CPU 虚拟化的时候，说过一个措施叫做 limit direct execution，解决的方案是让大部分程序运行在用户态，等到关键步骤时必须由内核态来执行，这样保证安全和隔离。因此地址翻译就是 OS 借助硬件提供的一些功能，维护物理内存中 “哪里空闲”、“哪里在使用”，然后将指令中的虚拟地址翻译为真实的物理地址的过程。
我们会先假设进程的地址空间是连续的并且都不是很大，讲清楚原理之后我们再进一步深入一些页表机制。我们看下面的 C 代码：
它会被编译期翻译为这样的汇编：
假设它的地址空间如下：
那么它所做的操作顺序有：
- 从地址 128 处 load 指令
- 执行指令，从地址 15KB 处 load 值
- 从地址 132 处 load 指令
- 执行指令 + 3
- 从地址 135 处 load 指令
- 执行指令，写回地址 15KB，更新内存值
进程实际在物理内存中可能位于 32 KB 处，硬件通过公式：
physical address = virtual address + base
来翻译地址，例如虚拟地址 128 处的指令，翻译器会将 128 + 32KB 得到物理地址 32896。
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