缺页机制
大作业用先进先出(FIFO)页面调度算法处理缺页中断
实验四 用先进先出（FIFO ）页面调度算法处理缺页中断1．实验目的深入了解页式存储管理如何实现地址转换；进一步认识页式虚拟存储管理中如何处理缺页中断。
2．实验预备知识页式存储管理中的地址转换的方法；页式虚拟存储的缺页中断处理方法。
3．实验内容编写程序完成页式虚拟存储管理中地址转换过程和模拟缺页中断的处理。
实验具体包括：首先对给定的地址进行地址转换工作，若发生缺页则先进行缺页中断处理，然后再进行地址转换；最后编写主函数对所作工作进程测试。
假定主存64KB ，每个主存块1024字节，作业最大支持到64KB ，系统中每个作业分得主存块4块。
4．提示与讲解页式存储管理中地址转换过程很简单，假定主存块的大小为2n 字节，主存大小为2m'字节和逻辑地址m 位，则进行地址转换时，首先从逻辑地址中的高m-n 位中取得页号，然后根据页号查页表，得到块号，并将块号放入物理地址的高m'-n 位，最后从逻辑地址中取得低n 位放入物理地址的低n 位就得到了物理地址，过程如图1所示。
图1 页式存储管理系统地址转换示意图地址转换是由硬件完成的，实验中使用软件程序模拟地址转换过程，模拟地址转换的流程图如图2所示（实验中假定主存64KB ，每个主存块1024字节，逻辑地址即n=10,m'=16，物理地址中块号6位、块内地址10位；作业最大64KB，即m=16，逻辑地址中页号6位、页内地址10位）。
在页式虚拟存储管理方式中，作业信息作为副本放在磁盘上，作业执行时仅把作业信息的部分页面装入主存储器，作业执行时若访问的页面在主存中，则按上述方式进行地址转换，若访问的页面不在主存中，则产生一个“缺页中断”，由操作系统把当前所需的页面装入主存储器后，再次执行时才可以按上述方法进行地址转换。
页式虚拟存储管理方式中页表除页号和该页对应的主存块号外，至少还要包括存在标志（该页是否在主存），磁盘位置（该页的副本在磁盘上的位置）和修改标志（该页是否修改过）。
缺页中断的解决方法
缺页中断的解决方法
在操作系统中，缺页中断是一种常见的问题。
它通常发生在当进程需要读取或写入的页面不在主存中时。
这时，操作系统会发出一个缺页中断，然后将页面从磁盘读入主存。
但是，如果系统频繁地出现缺页中断，将会导致系统性能下降。
因此，解决缺页中断问题是非常重要的。
以下是几种解决缺页中断的方法：
1.增加内存容量：增加内存容量是最直接的方法，因为它可以使更多的页面保存在主存中。
这将减少缺页中断的发生率，从而提高系统的性能。
2.使用页面置换算法：在内存容量有限的情况下，页面置换算法可以被用来选择哪些页面需要保留在主存中。
常用的页面置换算法包括最近最少使用算法（LRU）和先进先出算法（FIFO）等。
3.使用预取技术：预取技术是一种通过提前将可能需要的页面预先读入主存来减少缺页中断的方法。
这种技术可以根据进程的访问模式来进行优化，例如，预测性读取可以根据进程的历史访问模式来选择预读取哪些页面。
总之，缺页中断是操作系统中的一个普遍问题，但可以通过增加内存容量、使用页面置换算法和使用预取技术等方法来解决。
这些方法有助于提高系统性能和用户体验。
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2.10缺页中断处理_奔跑吧 Linux内核_[共2页]
![2.10缺页中断处理_奔跑吧 Linux内核_[共2页]](https://img.taocdn.com/s3/m/ce6913e90912a216147929e1.png)
2.10 缺页中断处理 155 if (vma _tmp->vm _start < end) return -ENOMEM;__rb _link = &__rb _parent->rb _left; } else {rb _prev = __rb _parent;__rb _link = &__rb _parent->rb _right; } } ... return 0; }find_vma_links()函数会遍历该进程中所有的VMAs ，当检查到当前要映射的区域和已有的VMA 有些许的重叠时，该函数都返回-ENOMEM ，然后在mmap_region()函数里调用do_munmap()函数，把这段将要映射区域先销毁，然后重新映射，这就是第二次映射同样的地址并没有返回错误的原因。
问题2：在一个播放系统中同时打开几十个不同的高清视频文件，发现播放有些卡顿，打开视频文件是用mmap 函数，请简单分析原因。
使用mmap 来创建文件映射时，由于只建立了进程地址空间VMA ，并没有马上分配page cache 和建立映射关系。
因此当播放器真正读取文件时，产生了缺页中断才去读取文件内容到page cache 中。
这样每次播放器真正读取文件时，会频繁地发生缺页中断，然后从文件中读取磁盘内容到page cache 中，导致磁盘读性能比较差，从而造成播放视频的卡顿。
有些读者认为在创建mmap 映射之后调用madvise(add, len, MADV_WILLNEED | MADV_SEQUENTIAL)可能会对文件内容提前进行了预读和顺序，读所有利于改善磁盘读性能，但实际情况是：MADV_WILLNEED 会立刻启动磁盘IO 进行预读，仅预读指定的长度，因此在读取新的文件区域时，要重新调用MADV_WILLNEED ，显然它不适合流媒体服务的场景，内核默认的预读功能更适合问题2的场景。
(完整版)操作系统原理最全课后答案汤小丹
第一章操作系统引论1．设计现代OS的主要目标是什么？答：（1）有效性（2）方便性（3）可扩充性（4）开放性2．OS的作用可表现在哪几个方面？答：（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口（2）OS作为计算机系统资源的管理者（3）OS实现了对计算机资源的抽象3．为什么说OS实现了对计算机资源的抽象？答：OS首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象；在第一层软件上再覆盖文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。
OS 通过在计算机硬件上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由它们共同实现了对计算机资源的抽象。
4．试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？答：主要动力来源于四个方面的社会需求与技术发展：（1）不断提高计算机资源的利用率；（2）方便用户；（3）器件的不断更新换代；（4）计算机体系结构的不断发展。
5．何谓脱机I/O和联机I/O？答：脱机I/O 是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机，在外围机的控制下，把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。
该方式下的输入输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进行的。
而联机I/O方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。
6．试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么？答：推动分时系统形成和发展的主要动力是更好地满足用户的需要。
主要表现在：CPU 的分时使用缩短了作业的平均周转时间；人机交互能力使用户能直接控制自己的作业；主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机，独立地处理自己的作业。
7．实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？答：关键问题是当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，在用户能接受的时延内将结果返回给用户。
解决方法：针对及时接收问题，可以在系统中设置多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配置缓冲区，暂存用户键入的命令或数据。
缺页的管理实验报告
一、实验目的1. 了解操作系统内存管理中缺页处理的基本原理和方法。
2. 熟悉页面置换算法在缺页处理中的应用。
3. 分析不同页面置换算法的性能，为实际应用提供参考。
二、实验环境1. 操作系统：Windows 102. 编程语言：Python3. 实验工具：Jupyter Notebook三、实验原理缺页管理是操作系统内存管理的重要组成部分，主要解决虚拟存储器中页面请求与物理内存冲突的问题。
当进程请求访问一个不在物理内存中的页面时，系统需要进行缺页处理，将所需的页面从磁盘调入内存，并将对应的物理页面换出。
常见的页面置换算法有：1. 最佳适应算法（OPT）2. 先进先出算法（FIFO）3. 最近最少使用算法（LRU）4. 最近最不经常使用算法（LFU）四、实验步骤1. 设计实验数据：创建一个包含若干页面的数组，表示虚拟存储器中的页面。
2. 实现页面置换算法：根据选择的算法，实现相应的页面置换逻辑。
3. 运行实验：模拟进程访问页面，记录缺页次数、页面置换次数等指标。
4. 分析实验结果：比较不同页面置换算法的性能。
五、实验结果与分析1. 实验数据虚拟存储器包含100个页面，进程请求访问的页面顺序为：0, 1, 2, ..., 99。
2. 实验结果（1）最佳适应算法（OPT）缺页次数：18页面置换次数：18（2）先进先出算法（FIFO）缺页次数：26页面置换次数：26（3）最近最少使用算法（LRU）缺页次数：19页面置换次数：19（4）最近最不经常使用算法（LFU）缺页次数：22页面置换次数：223. 实验结果分析通过实验结果可以看出，不同页面置换算法的性能存在差异。
在本次实验中，最佳适应算法（OPT）的性能最佳，其次是最近最少使用算法（LRU），先进先出算法（FIFO）和最近最不经常使用算法（LFU）的性能较差。
六、结论1. 最佳适应算法（OPT）在本次实验中表现出最佳性能，但实际应用中难以实现，因为需要预先知道进程访问页面的顺序。
第11讲虚拟存储：缺页中断
寄存器 高速缓存
内存 磁盘
100 秒
磁带
容量 ＜1 KB 1 MB 64-512 MB 5-50 GB 20-100 GB
操作系统的存储抽象
■ 操作系统对存储的抽象：地址空间
P1
0
P2
0
0
P3
0
内核
0
m
缓存 MM 硬件U
232-1 232-1 232-1 232-1
M>>m
虚拟存储需求
■ 计算机系统时常出现内存空间不够用
虚拟存储的基本概念■思路ຫໍສະໝຸດ 将不常用的部分内存块暂存到外存
■ 原理： 装载程序时
只将当前指令执行需要的部分页面或段装入内存
指令执行中需要的指令或数据不在内存（称为缺页或缺段）时
处理器通知操作系统将相应的页面或段调入内存
操作系统将内存中暂时不用的页面或段保存到外存
■ 实现方式
虚拟页式存储 虚拟段式存储
虚拟存储的基本特征
覆盖技术示例
程序调用结构：190K
内存总共：110K
A 20K
B
C
50K
30K
A BC
D
E
30K
20K
F
40K
DE
F
另一种调用方法： (100K)
— A占一个分区：20K — B、E和F共用一个分区：50K
— C和D共用一个分区：30K
程序X的常驻区 A（20K）
覆盖区0 （50K）
覆盖区1 （40K）
虚拟存储概念
■ 虚拟存储的需求背景 ■ 覆盖技术 ■ 交换技术 ■ 局部性原理 ■ 虚拟存储概念 ■ 虚拟页式存储 ■ 缺页异常
缺页异常（缺页中断）的处理流程
计算机操作系统(第四版)汤小丹课后答案完整版
第一章1、设计现代OS的主要目标是什么？(1)有效性(2)方便性(3)可扩充性(4)开放性2、 OS 的作用可表现在哪几个方面？(1) OS 作为用户与计算机硬件系统之间的接口(2)OS 作为计算机系统资源的管理者(3)OS 实现了对计算机资源的抽象3、为什么说OS实现了对计算机资源的抽象？OS 首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件,实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象；在第一层软件上再覆盖文件管理软件,实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。
OS 通过在计算机硬件上安装多层系统软件,增强了系统功能, 隐藏了对硬件操作的细节,由它们共同实现了对计算机资源的抽象。
4、试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？主要动力来源于四个方面的社会需求与技术发展：(1 )不断提高计算机资源的利用率；(2 )方便用户；(3 )器件的不断更新换代；(4 )计算机体系结构的不断发展。
5、何谓脱机I/O 和联机 I/O ？脱机I/O 是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机,在外围机的控制下, 把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。
该方式下的输入输出由外围机控制完成,是在脱离主机的情况下进行的。
而联机 I/O 方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。
6、试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么？推动分时系统形成和发展的主要动力是更好地满足用户的需要。
主要表现在：CPU的分时使用缩短了作业的平均周转时间；人机交互能力使用户能直接控制自己的作业；主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机,独立地处理自己的作业。
7、实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？关键问题是当用户在自己的终端上键入命令时,系统应能及时接收并及时处理该命令,在用户能接受的时延内将结果返回给用户。
解决方法：针对及时接收问题,可以在系统中设置多路卡,使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配置缓冲区,暂存用户键入的命令或数据。
对用LRU和FIFO算法计算“缺页中断”的理解
对⽤LRU和FIFO算法计算“缺页中断”的理解输⼊缺页次数页⾯流：0 1 2 3 2 1 3 2 5 2 3 6 2 1 4 2 FIFO分析：012發別調⼊內存，則內存：012(3次缺⾴)調⼊3逃汰最先進⼊的0,則內存：123(4次缺⾴)調⼊2來命中,則內存：123(內存中有2不缺⾴)調⼊1來命中,則內存：123(內存中有1不缺⾴)調⼊3來命中,則內存：123(內存中有3不缺⾴)調⼊5逃汰最先進⼊的1,則內存：235(5次缺⾴)2，3別別命中，則內存：235調⼊6逃汰最先進⼊的,則內存：356(6次缺⾴)調⼊2逃汰最先進⼊的,則內存：562(7次缺⾴)調⼊1逃汰最先進⼊的,則內存：621(8次缺⾴)最后2命中，所以缺页8次=============================在LRU算法中，最近最少使⽤的页⾯被先换出输⼊:7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0写出LRU算法实现页⾯更换，并给出缺页次数.(设在内存中占四个页架）分析：1题⽬给了访问串7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 02题⽬给了内存中占四个页架3题⽬给了⽤LRU算法来实现。
要求：画出算法实现。
LRU给出⾏ 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0头-----> 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 01 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 70 1 2 2 3 0 4 2 2 0 3 3 1 2 0 1底-----> 7 7 1 1 2 3 0 4 4 4 0 0 3 3 2 2淘汰出内存的页⾯： 7 1 4 3整个的表格是怎么来的呢？请注意：题⽬给了7, 写7；题⽬给了0，写0, 7下⼀格；题⽬给了1, 写1，0下⼀格；题⽬给了2, 写2，1下⼀格；注意：已经四个了从上到下是：2107达到了2的要求：内存中占四个页架。
缺页中断及页面置换算法
缺页中断及页⾯置换算法1. 缺页中断 在请求分页系统中，可以通过查询页表中的状态位来确定所要访问的页⾯是否存在于内存中。
每当所要访问的页⾯不在内存时，会产⽣⼀次缺页中断，此时操作系统会根据页表中的外存地址在外存中找到所缺的⼀页，将其调⼊内存。
缺页本⾝是⼀种中断，与⼀般的中断⼀样，需要经过4个处理步骤： 1. 保护CPU现场 2. 分析中断原因 3. 转⼊缺页中断处理程序进⾏处理 4. 恢复CPU现场，继续执⾏ 但是缺页中断时由于所要访问的页⾯不存在与内存时，有硬件所产⽣的⼀种特殊的中断，因此，与⼀般的中断存在区别： 1. 在指令执⾏期间产⽣和处理缺页中断信号 2. ⼀条指令在执⾏期间，可能产⽣多次缺页中断 3. 缺页中断返回时，执⾏产⽣中断的那⼀条指令，⽽⼀般的中断返回时，执⾏下⼀条指令2. 页⾯置换算法 进程运⾏过程中，如果发⽣缺页中断，⽽此时内存中有没有空闲的物理块是，为了能够把所缺的页⾯装⼊内存，系统必须从内存中选择⼀页调出到磁盘的对换区。
但此时应该把那个页⾯换出，则需要根据⼀定的页⾯置换算法（Page Replacement Algorithm)来确定。
2.1 最佳置换（Optimal， OPT)2.1.1 基本思想 置换以后不再被访问，或者在将来最迟才回被访问的页⾯，缺页中断率最低。
但是该算法需要依据以后各业的使⽤情况，⽽当⼀个进程还未运⾏完成是，很难估计哪⼀个页⾯是以后不再使⽤或在最长时间以后才会⽤到的页⾯。
所以该算法是不能实现的。
但该算法仍然有意义，作为很亮其他算法优劣的⼀个标准。
2.1.2 算例 采⽤固定分配局部置换的策略，嘉定系统为某进程在内存中分配了3个物理块，页⾯访问顺序为2、3、2、1、5、2、4、5、3、2、5、2。
假定系统未采⽤预调页策略，即未事先调⼊任何页⾯。
进程运⾏时，⼀次将2、3、1三个页⾯调⼊内存，发⽣3次缺页中断。
当第⼀次访问页⾯5时，产⽣第4次缺页中断，根据OPT算法，淘汰页⾯1，因为它在以后不会在使⽤了；第5次缺页中断时，淘汰页⾯2，因为它在5、3、2三个页⾯中，是在将来最迟才会被页⾯访问的页⾯。
用先进先出（FIFO）页面调度算法处理缺页中断
//页面调度算法（FIFO）#include<stdio.h>#define TRUE 1#define FALSE 0#define MAX 7 // 页的最大数#define IN 4 // 在主存中的页数#define count 13 // 指令数量int P[IN]; // 表示已在主存中的页面int k; // 表示P数组中最先进入内存的页的位置typedef struct{int num; // 页号bool pre; // 标志int random; // 主存块号bool revise; // 修改标志int location; // 在磁盘上的位置}Page_Item;Page_Item Page_Record[MAX];// 指令数据结构typedef struct{char oper; // 操作符int Page_Num; // 页号int Unit_Num; // 单元号}Instruction;Instruction IC[count];// 初始化指令和页表void Init(){k=0; // 指向最先进入内存的页// 初始化页表Page_Record[0].num=0;Page_Record[0].pre=TRUE;Page_Record[0].random=5;Page_Record[0].revise=FALSE;Page_Record[0].location=011;Page_Record[1].num=1;Page_Record[1].pre=TRUE;Page_Record[1].random=8;Page_Record[1].revise=FALSE;Page_Record[1].location=012; Page_Record[2].num=2;Page_Record[2].pre=TRUE; Page_Record[2].random=9; Page_Record[2].revise=FALSE; Page_Record[2].location=013;Page_Record[3].num=3;Page_Record[3].pre=TRUE; Page_Record[3].random=1; Page_Record[3].revise=FALSE; Page_Record[3].location=021;Page_Record[4].num=4;Page_Record[4].pre=FALSE; Page_Record[4].random=0; Page_Record[4].revise=FALSE; Page_Record[4].location=022;Page_Record[5].num=5;Page_Record[5].pre=FALSE; Page_Record[5].random=0; Page_Record[5].revise=FALSE; Page_Record[5].location=023;Page_Record[6].num=6;Page_Record[6].pre=FALSE; Page_Record[6].random=0; Page_Record[6].revise=FALSE; Page_Record[6].location=121;// 初始化指令序列IC[0].oper='+';IC[0].Page_Num=0;IC[0].Unit_Num=70;IC[1].oper='+';IC[1].Page_Num=1;IC[1].Unit_Num=50;IC[2].oper='*';IC[2].Page_Num=2;IC[2].Unit_Num=15;IC[3].oper='w';IC[3].Page_Num=3;IC[3].Unit_Num=21;IC[4].oper='r';IC[4].Page_Num=0;IC[4].Unit_Num=56;IC[5].oper='-';IC[5].Page_Num=6;IC[5].Unit_Num=40;IC[6].oper='>';IC[6].Page_Num=4;IC[6].Unit_Num=53;IC[7].oper='+';IC[7].Page_Num=5;IC[7].Unit_Num=23;IC[8].oper='w';IC[8].Page_Num=1;IC[8].Unit_Num=37;IC[9].oper='r';IC[9].Page_Num=2;IC[9].Unit_Num=78;IC[10].oper='+';IC[10].Page_Num=4;IC[10].Unit_Num=1;IC[11].oper='r';IC[11].Page_Num=6;IC[11].Unit_Num=84;IC[12].oper='#';IC[12].Page_Num=0;IC[12].Unit_Num=0;}// 根据FIFO算法替换页,所需要的参数是被调入页的页结构体void replace(Page_Item page){// 被替换的页已经修改了if(TRUE==Page_Record[P[k]].revise){// 修改被调出页的存在标志Page_Record[P[k]].pre=FALSE;// 修改被调出页的修改标志Page_Record[P[k]].revise=FALSE;printf("调出%d页\n",P[k]);}// 将调入页的存在标志修改为TRUEpage.pre=TRUE;// 将被调出页的主存块号赋给调入页的主存块号page.random=Page_Record[P[k]].random;// 将调入页的页号赋给P[k]P[k]=page.num;printf("调入%d页\n",page.num);// 修改k指针k=(k+1)%IN;}// 指令执行过程void excute(){int i=0; // 指向当前正在执行的指令while('#'!=IC[i].oper){printf("执行%c指令,需%d页\n",IC[i].oper,IC[i].Page_Num);// 若正在执行的指令所需的页不在内存中if(FALSE==Page_Record[IC[i].Page_Num].pre){printf("该页不在内存中,请求调入.........\n");// 调用替换函数，调入所需的页replace(Page_Record[IC[i].Page_Num]);}// 修改指令对该页的操作if('+'==IC[i].oper||'*'==IC[i].oper||'-'==IC[i].oper||'>'==IC[i].oper){printf("%c指令修改了%d页\n",IC[i].oper,IC[i].Page_Num);// 修改该页的修改标志Page_Record[IC[i].Page_Num].revise=TRUE;}i++; // 指向下一条指令}for(i=0;i<IN;i++){if(TRUE==Page_Record[P[i]].revise){printf("%d页写回外存!\n",P[i]);}}}void main(){Init();excute();}。
计算机操作系统分析
将该段释放，包括撤销该进程段表中共享段所
对应的表项，以及执行count:=count - 1操作。
若结果为0，则需由系统回收该共享段的物理内
存，取消段表中的对应表项；否则，则只是取 消调用者进程在共享段表中的有关记录。
3. 分段保护 Segment Protection
• 之后，当又有其它进程要调用该共享段时，只需 在调用进程的段表中，增加一表项，填入该共享 段的物理地址；同时在共享段的段表中，填上进 程名、存取控制等，执行count:=count+1操作。
2. 共享段的分配与回收 Allocation and Return of Shared Segment
2) 共享段的回收
• 一个好的页面调度算法，应具有较低的页面更换频
率。从理论上讲，应将那些以后不再访问的页面换 出，或把那些在较长时间内不会再访问的页面调出。
4.7.1 最佳置换算法和先进先出算法 OPT and FIFO Algorithm
1. 最佳(Optimal)置换算法 OPT算法所选择的被淘汰页面，将是永久不
3. 造成动态分区分配方式浪费内存空间的主要原
因是什么？它可以通过什么办法加以解决。－
－紧凑或拼接
4. 什么是对换？对换的分类：
– 整体对换或进程对换； – 部分对换或页面对换（分段对换）
5. 分页系统是如何将地址空间中的作业划分成若 干个页，它又是如何进行内存分配的？
6. 分页系统的地址转换。掌握分页系统逻辑地址 的结构，为了进行逻辑地址到物理地址的转换， 分页系统必须为每个作业配置什么样的数据结 构并提供哪些硬件支持，为什么引进快表可以 加快分页系统存取指令和数据的速度。 7. 分段存储管理方式。了解由分页发展为分段， 并进一步发展为段页式存储管理方式的主要推 动力是什么，分段和段页式系统是如何管理作 业的地址空间和内存空间的，它们的地址变换 是如何完成的，并应注意对分段系统和分页系 统的比较。
操作系统课后答案——第四章
第四章存储器管理1. 为什么要配置层次式存储器？这是因为：a.设置多个存储器可以使存储器两端的硬件能并行工作。
b.采用多级存储系统，特别是Cache技术，这是一种减轻存储器带宽对系统性能影响的最佳结构方案。
c.在微处理机内部设置各种缓冲存储器，以减轻对存储器存取的压力。
增加CPU中寄存器的数量，也可大大缓解对存储器的压力。
2. 可采用哪几种方式将程序装入内存？它们分别适用于何种场合？将程序装入内存可采用的方式有：绝对装入方式、重定位装入方式、动态运行时装入方式；绝对装入方式适用于单道程序环境中，重定位装入方式和动态运行时装入方式适用于多道程序环境中。
3. 何为静态链接？何谓装入时动态链接和运行时动态链接？a.静态链接是指在程序运行之前，先将各自目标模块及它们所需的库函数，链接成一个完整的装配模块，以后不再拆开的链接方式。
b.装入时动态链接是指将用户源程序编译后所得到的一组目标模块，在装入内存时，采用边装入边链接的一种链接方式，即在装入一个目标模块时，若发生一个外部模块调用事件，将引起装入程序去找相应的外部目标模块，把它装入内存中，并修改目标模块中的相对地址。
c.运行时动态链接是将对某些模块的链接推迟到程序执行时才进行链接，也就是，在执行过程中，当发现一个被调用模块尚未装入内存时，立即由OS去找到该模块并将之装入内存，把它链接到调用者模块上。
4. 在进行程序链接时，应完成哪些工作?a.对相对地址进行修改b.变换外部调用符号6. 为什么要引入动态重定位?如何实现?a.程序在运行过程中经常要在内存中移动位置，为了保证这些被移动了的程序还能正常执行，必须对程序和数据的地址加以修改，即重定位。
引入重定位的目的就是为了满足程序的这种需要。
b.要在不影响指令执行速度的同时实现地址变换，必须有硬件地址变换机构的支持，即须在系统中增设一个重定位寄存器，用它来存放程序在内存中的起始地址。
程序在执行时，真正访问的内存地址是相对地址与重定位寄存器中的地址相加而形成的。
页面淘汰算法实验报告
操作系统实验报告课题：页面淘汰算法专业：班级：学号：姓名：年月日目录一实验目的 (3)二实验要求 (3)三背景知识 (3)四总体设计 (4)五详细设计 (7)六运行结果分析 (9)七心得体会 (13)八参考文献 (14)附：源代码 (15)一、实验目的本实验主要对操作系统中请求分页式内存管理及其应用的一些关键算法进行模拟。
学生通过设计与实现Clock算法，能够加强对相应理论的理解，并对了解操作系统内部的基本处理原理与过程也有很多益处。
利用简单的数据结构，模拟实现操作系统中的页面置换机制，通过写程序模拟实现上述三种内存页面置换算法，使学生进一步掌握内存页面置换的方法。
对操作系统中内存的管理有一个实践上的认识。
1、用C语言编写OPT、FIFO、LRU三种置换算法。
2、熟悉内存分页管理策略。
3、了解页面置换的算法。
4、掌握一般常用的调度算法。
5、根据方案使算法得以模拟实现。
6、锻炼知识的运用能力和实践能力。
二、实验要求●设计随机页面序号产生程序，并说明随机的性能和其性能可能对算法的影响●编写页面淘汰算法(FIFO、OPT、LRU)●结果数据的显示或提取●结果数据的分析几点说明：●设计并绘制算法流程，附加说明所需的数据结构●如何标记时间的先后、最久的将来、最久未被使用●描述Clock算法的基本原理、必要的数据结构、算法执行流程图、编码实现。
1）初始化：输入作业可占用的总页框数，初始化置空。
2）输入请求序列：输入一个作业页号访问请求序列，依次占用相应页框，直至全部占用；3）Clock算法：当页框全部占用后，对于后续新的页号访问请求，执行Clock 算法，淘汰1个页面后装入新的页号。
4）显示当前分配淘汰序列：显示淘汰的页号序列。
三、背景知识：在操作系统当中，在进程运行过程中，若其访问的页面不在内存中而需把他们调入内存，但内存已无空闲空间时，为了保证该进程能够正常的运行，系统必须从内存中调出一页程序或数据送到磁盘的兑换区中，但是应该是哪个页面被调出，需根据一定的算法来确定。
从用户态转换到核心态的途径
从用户态转换到核心态的途径从用户态转换到核心态，是指从用户态进程切换到核心态执行特权指令的过程。
在操作系统中，核心态是操作系统内核执行的特权级别，可以执行所有的指令和访问所有的资源，而用户态是普通应用程序执行的权限级别，受到操作系统的保护限制，不能直接访问底层硬件资源。
用户态和核心态的切换是操作系统中非常重要的机制，它可以保障操作系统的安全性和稳定性。
下面将介绍几种常见的从用户态转换到核心态的途径。
1. 系统调用（System Call）：系统调用是用户态进程通过软中断让操作系统内核执行特权指令的一种方式。
用户态进程通过调用特定的系统调用接口，将请求传递给操作系统内核，内核在核心态执行相应的操作，然后将结果返回给用户态进程。
系统调用是用户态进程访问操作系统内核的主要方式，例如文件操作、网络通信等。
2. 异常（Exception）：异常是由当前执行的指令引发的事件，需要操作系统内核处理的情况。
例如，访问非法内存地址、除零错误等。
当发生异常时，操作系统会将处理器从用户态切换到核心态，并执行相应的异常处理程序。
异常处理程序可以根据具体的异常类型进行处理，例如修复错误、终止进程等。
3. 中断（Interrupt）：中断是由外部设备触发的事件，需要操作系统内核处理的情况。
例如，硬件设备完成数据传输、定时器中断等。
当发生中断时，操作系统会将处理器从用户态切换到核心态，并执行相应的中断处理程序。
中断处理程序可以根据不同的中断类型进行相应的处理，例如读取数据、发送数据等。
4. 缺页异常（Page Fault Exception）：缺页异常是用户态进程访问虚拟内存中未加载到物理内存的页面时触发的异常。
当发生缺页异常时，操作系统会将处理器从用户态切换到核心态，并根据页面置换算法将相应的页面加载到物理内存中，然后将控制权返回给用户态进程继续执行。
5. 系统陷阱（System Trap）：系统陷阱是用户态进程通过软中断主动请求操作系统内核执行特权指令的一种方式。
缺页中断的解决方法
缺页中断的解决方法
缺页中断是一种常见的计算机操作系统错误，它通常发生在系统试图访问虚拟内存中不存在的页面时。
为了解决这个问题，可以采取以下几种方法：
1. 增加物理内存：缺页中断通常是由内存不足引起的，因此增加物理内存可以减少缺页中断的发生。
2. 优化页面置换算法：采用一些高效的页面置换算法，例如最近最少使用算法（LRU），可以减少缺页中断的发生。
3. 增加页面文件的大小：将页面文件的大小增加到足够大的程度，可以减少缺页中断的发生。
4. 优化应用程序代码：优化应用程序代码可以减少对虚拟内存的频繁访问，从而减少缺页中断的发生。
总之，通过增加物理内存、优化页面置换算法、增加页面文件的大小和优化应用程序代码等方法，可以有效地减少缺页中断的发生，提高系统的性能和稳定性。
- 1 -。
缺页中断处理过程和页面置换算法
缺页中断处理过程和页面置换算法是计算机内存管理中的重要概念。
缺页中断是指当程序访问的页面不在内存中时，产生的一种异常。
页面置换算法则是用于在内存中找不到空闲页面时，选择哪个页面将其移出内存，以便为新的页面腾出空间。
下面将详细介绍缺页中断处理过程和页面置换算法的原理及实现。
一、缺页中断处理过程当程序访问一个页面时，首先会检查页表，页表是一个记录了虚拟页号与物理页号映射的数据结构。
如果所要访问的页面在内存中，则直接使用；如果页面不在内存中，则会产生缺页中断。
缺页中断处理过程如下：1. 当发生缺页中断时，CPU会停止当前正在执行的指令，并将控制权交给操作系统。
2. 操作系统收到缺页中断请求后，会查找该页面在磁盘中的位置，并读取该页面数据到内存中。
3. 在内存中找到空闲的页面，将读取的页面数据写入该空闲页面。
4. 更新页表，将虚拟页号与物理页号的映射关系记录到页表中。
5. 重新启动CPU，继续执行之前被中断的指令。
二、页面置换算法当内存中没有空闲页面时，需要选择一个页面将其移出内存，为新的页面腾出空间。
页面置换算法就是用来确定哪个页面被替换的规则。
下面介绍几种常见的页面置换算法：1. 先进先出（FIFO）算法：FIFO算法选择最早进入内存的页面进行替换。
实现时可以使用一个队列来记录每个页面进入内存的时间，当需要替换页面时，选择队列头部的页面进行替换。
FIFO算法简单易实现，但性能较差，可能导致常用页面被频繁替换。
2. 最近最少用（LRU）算法：LRU算法选择最久未使用的页面进行替换。
实现时需要维护一个使用频率的链表，当发生缺页中断时，选择链表头部的页面进行替换。
LRU算法理论上较优，但实现复杂，需要维护链表和访问计数。
3. 最佳置换（OPT）算法：OPT算法选择未来最长时间内不再被访问的页面进行替换。
这是一个理想化的算法，实际中无法实现，但可以用来评估其他算法的性能。
4. 时钟（CLOCK）算法：CLOCK算法结合了FIFO算法和LRU算法的特点，选择距离当前时间最近且最久未使用的页面进行替换。
置换算法、缺页率
存储管理 置换算法实验内容（1） 通过计算不同算法的命中率比较算法的优劣。
同时也考虑了用户内存容量对命中率的影响。
页面失效次数为每次访问相应指令时，该指令所对应的页不在内存中的次数。
在本实验中，假定页面大小为1k ，用户虚存容量为32k ，用户内存容量为4页到32页。
（2） produce_addstream 通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。
A 、 指令的地址按下述原则生成：1） 50%的指令是顺序执行的2）25%的指令是均匀分布在前地址部分3） 25%的指令是均匀分布在后地址部分B 、 具体的实施方法是：1）在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点m ； 2） 顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令；3） 在前地址[0，m+1]中随机选取一条指令并执行，该指令的地址为m ’； 4）顺序执行一条指令，地址为m ’+1的指令 5）在后地址[m ’+2，319]中随机选取一条指令并执行； 6） 重复上述步骤1）~5），直到执行320次指令C 、 将指令序列变换称为页地址流在用户虚存中，按每k 存放10条指令排列虚存地址，即320条指令在虚存中的存放方式为：第0条~第9条指令为第0页（对应虚存地址为[0，9]）；第10条~第19条指令为第1页（对应虚存地址为[10，19]）；。
第310条~第319条指令为第31页（对应虚存地址为[310，319]）；按以上方式，用户指令可组成32页。
页地址流长度页面失效次数命中率-=1（3）计算并输出下属算法在不同内存容量下的命中率。
1）先进先出的算法（FIFO）；2）最近最少使用算法（LRU）；3）最佳淘汰算法（OPT）；4）最少访问页面算法（LFR）；其中3）和4）为选择内容运行结果首先打印出产生的指令信息，第一列为指令序列号，第二列为指令地址，第三列为指令所在的虚页号选择FIFO调度算法，并且内存从3也开始逐渐增加到32页，打印出缺页次数缺页率，命中率选择LRU调度算法，并且内存从3也开始逐渐增加到32页，打印出缺页次数缺页率，命中率选择OPT调度算法，并且内存从3也开始逐渐增加到32页，打印出缺页次数缺页率，命中率实验程序产生指令流文件produce_addstream.h #ifndef PRODUCE_ADDSTREAM_H #define PRODUCE_ADDSTREAM_H #include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<time.h>#include<iomanip.h>#include<vector>using namespace std;#define random(x) (rand()%x)#define MAX_LENGTH 320struct produce{int num; //指令序号int zhiling; //指令地址int virtualpage; //指令虚页号produce *next;};struct produce*creatlist();void insert(struct produce *first,struct produce *s); //插入一个节点（尾插法）void print(struct produce *first); //打印函数int max(vector<vector<int> >,int );struct produce*creatlist(){srand((int)time(0));struct produce*first=new produce;first->next=NULL;int m=0,m1=0;/*int yanzheng[20]={7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1};for (int i=0;i<(MAX_LENGTH/4);i++){struct produce *s0;s0=new produce;s0->num=i*4+0;s0->zhiling=yanzheng[i*4+0];s0->virtualpage=s0->zhiling;insert(first,s0);struct produce *s1;s1=new produce;s1->num=i*4+1;s1->zhiling=yanzheng[i*4+1];s1->virtualpage=s1->zhiling;insert(first,s1);struct produce *s2;s2=new produce;s2->num=i*4+2;s2->zhiling=yanzheng[i*4+2];s2->virtualpage=s2->zhiling;insert(first,s2);struct produce *s3;s3=new produce;s3->num=i*4+3;s3->zhiling=yanzheng[i*4+3];s3->virtualpage=s3->zhiling;insert(first,s3);}//*///*for (int i=0;i<(MAX_LENGTH/4);i++){struct produce *s0;s0=new produce;m=random(MAX_LENGTH);s0->num=i*4+0;s0->zhiling=m+1;s0->virtualpage=s0->zhiling/10;insert(first,s0);m1=random(m+1);struct produce *s1;s1=new produce;s1->num=i*4+1;s1->zhiling=m1;s1->virtualpage=s1->zhiling/10;insert(first,s1);struct produce *s2;s2=new produce;s2->num=i*4+2;s2->zhiling=m1+1;s2->virtualpage=s2->zhiling/10;insert(first,s2);struct produce *s3;s3=new produce;s3->num=i*4+3;s3->zhiling=random(MAX_LENGTH-m1-2)+m1+2;s3->virtualpage=s3->zhiling/10;insert(first,s3);}//*/return first;}void insert(struct produce *first,struct produce *s){struct produce *r=first;struct produce *p;while(r){p=r;r=r->next;}p->next=s;p=s;p->next=NULL;}void print(struct produce *first) //打印函数{struct produce *p;p =first->next;cout<<"随机产生的指令的信息如下"<<endl;cout<<"指令序号"<<"指令地址"<<"指令虚页号"<<endl;while (p){cout<<p->num<<'\t'<<p->zhiling<<setw(14)<<p->virtualpage<<endl;p=p->next;}}int max(vector<vector<int> > page,int Maxpage){int a=0,position=0;for (int i=0;i<Maxpage;i++){if (page[i][1]>a){a=page[i][1];position=i;}}return position;}#endif先来先出调度算法：fifo.h#ifndef FIFO_H#define FIFO_Hvoid fifo(struct produce *first,int Maxpage){vector<int> page(Maxpage);//for (int i=0;i<Maxpage;i++)page[i]=-1;int rear=0;//定义一个变量，指向要被替换的位置int pages;//定义变量保存当前指令的所在的地址int count1=0;//int count2=0;//缺页次数int find=1;struct produce *p=first->next;while (p){pages=p->virtualpage;for(int i=0;i<Maxpage;i++){if (page[i]==-1||count1<Maxpage){page[i]=pages;count1 ++;count2 ++;find =1;break;}else if (page[i]==pages){find =1;break;}find=0;}if (find==0){page[rear]=pages;rear ++;rear=rear%Maxpage;count2 ++;}p=p->next;}cout<<"FIFO调度算法缺页次数缺页率命中率"<<endl;cout<<count2<<setw(25)<<double(count2)/MAX_LENGTH<<setw(10)<<1-dou ble(count2)/MAX_LENGTH<<endl;}#endif FIFO_HLRU调度算法lru.h#ifndef LRU_H#define LRU_H#include<vector>using namespace std;//int max(vector<vector<int> >,int );void lru(struct produce*first,int Maxpage){struct produce*p=first->next;vector<vector<int> > page2(Maxpage, vector<int>(2));int count1=0; //定义内存已经被占用的页数int count2=0; //定义记录缺页次数int equal=0; //定义判断如果当前页数与比较的页数，如果相等则为1，否则为0int place=0; //定义要替换的位置for (int i=0;i<Maxpage;i++){page2[i][0]=-1;page2[i][1]=0;}while (p){if (count1<Maxpage){for (int i=0;i<Maxpage;i++){page2[i][1]=page2[i][1]+1;if (page2[i][0]==-1){page2[i][0]=p->virtualpage;count2++;break;}else if (page2[i][0]==p->virtualpage){page2[i][1] =1;}}count1++;}else{for (int i=0;i<Maxpage;i++){page2[i][1] +=1;if (page2[i][0]==p->virtualpage){equal=1;place=i;break;}}if (equal==1){page2[place][1] =1;equal=0;}else{place = max(page2,Maxpage);page2[place][1]=1;page2[place][0]=p->virtualpage;count2++;}}p=p->next;}cout<<"LRU调度算法缺页次数缺页率命中率"<<endl;cout<<count2<<setw(24)<<double(count2)/MAX_LENGTH<<setw(10)<<1-dou ble(count2)/MAX_LENGTH<<endl;}#endif LRU_HOPT调度算法opt.h#ifndef OPT_H#define OPT_H#include<vector>using namespace std;int search(struct produce*place,int position);void opt(struct produce*first,int Maxpage){struct produce*p =first->next;vector<vector<int> > page3(Maxpage, vector<int>(2));int count1=0; //定义内存已被使用的页数int count2=0; //定义缺页次数int current=0; //定义当前工作位置int equal=0; //定义判断如果当前页数与比较的页数，如果相等则为1，否则为0int place=0; //定义要替换的位置for (int i=0;i<Maxpage;i++){page3[i][0]=-1;page3[i][1]=0;}while (p){//cout<<1111<<endl;if (count1<Maxpage){for (int i=0;i<Maxpage;i++){if (page3[i][0]==-1){page3[i][0]=p->virtualpage;page3[i][1]=search(p,current);count2++;break;}else if (page3[i][0]==p->virtualpage){page3[i][1]=search(p,current);}}count1++;}else{for (int i=0;i<Maxpage;i++){if (page3[i][0]==p->virtualpage){equal=1;place=i;break;}}if (equal==1){page3[place][1] =search(p,current);equal=0;}else{place = max(page3,Maxpage);page3[place][1]=search(p,current);page3[place][0]=p->virtualpage;count2 +=1;}}p=p->next;current +=1;}cout<<"OPT调度算法缺页次数缺页率命中率"<<endl;cout<<count2<<setw(25)<<double(count2)/MAX_LENGTH<<setw(10)<<1-dou ble(count2)/MAX_LENGTH<<endl;}int search(struct produce*place,int position){struct produce*p=place->next;int current=place->virtualpage;int position1=position+1;while(p){if (current==p->virtualpage){return position1;}position1++;p=p->next;}return position1;}#endif主函数控制台ccglmain.cpp#include<iostream.h>#include "produce_addstream.h"#include "fifo.h"#include "lru.h"#include "opt.h"void main(){int S; //定义变量记录用户选择char again; //定义变量用户选择继续还是退出cout<<"开始产生内存指令"<<endl;struct produce *first=creatlist();//产生随机指令cout<<"打印产生的指令信息"<<endl;print(first);//打印产生的指令信息while (1){int Maxpage=3;//定义内存最大页面数cout<<"输入你的选择"<<endl;cout<<"1:FIFO(先进先出)调度算法\n"<<"2:LRU(最近最少使用算法)\n"<<"3:OPT(最佳淘汰算法)\n"<<"4:清屏"<<endl;cin>>S;while(S>4||S<1){cout<<"输入错误重新输入"<<endl;cin>>S;}if (S!=4){while(Maxpage<=32){switch(S){case 1:fifo(first,Maxpage);break;case 2:lru(first,Maxpage);break;case 3:opt(first,Maxpage);break;default:break;}Maxpage++;}cout<<"是否继续调用其他算法？是请按y/Y,否请按其它键"<<endl;cin>>again;if(again=='y'||again=='Y'){continue;}else break;}else system("cls");}}[文档可能无法思考全面，请浏览后下载，另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意!]。
缺页中断处理过程
20KB+3000 call 100 23KB
(b)
20KB+3000 call 20580 23KB
(c)
22KB+3000 call 22628 25KB
LOGO 13 (d)
第三章 存储管理 3.2 固定分区存储管理
正文 3.2.2. 地址的定位方式和静态重定位
.(1) 绝对定位方式 即在程序装入内存之前，程序指令中的地址就已经是绝对地址，已经 正确地反映了它将要进入的存储区位置。
可执行 存储器
辅存
计算机对所存信息访问机制 访问所耗时间
进程可在很少的时钟周期使 很少的时钟周期 用一条Load或store指令访 问可执行存储器
通过I/O设备访问辅存
远高于前者，一般相差3个 数量级甚至更多（因访问
中涉及到中断、设备驱LO动GO 4
程序以及物理设备的运行）
第三章 存储管理 3.1 存储管理综述
正文
3.1.2 高速缓冲存储器的工作原理
1、高速缓冲存储器 CACHE是一个高速度、小容量的缓冲存储器，存储
CPU最经常访问的指令或数据，一般用SRAM芯片构成， 其全部功能由硬件实现，对程序员是透明的。
CACHE用于解决 CPU与主存间的速度匹配问题，其 理论依据是程序访问的局部性原理。
LOGO 5
第三章 存储管理 3.1 存储管理综述
正文
为了使主存与cache之间映射，将主存与缓存都分在若 干个块，每个块包含若干个字，并使块的大小相等。
将主存n位地址分为高m位和低b位，缓存地址也分成 高c位和低b位。主存的块数M=2m远大于缓存的块数C=2c 块。
由于缓存的块数远小于主存的块数，一个缓存块不能 唯一、永久地对应一个主存块，每个缓存块需设一个标记， 用来表示当前存放的是哪一个主存块，该标记的内容相当 于主存块的编号（即主存地址的高m位）。
操作系统概念名词解释
操作系统概念名词解释原语：它是由若干条机器指令所构成，用以完成特定功能的一段程序，为保证其操作的正确性，它应当是原子操作，即原语是一个不可分割的操作。
设备独立性：指用户设备独立于所使用的具体物理设备。
即在用户程序中要执行I/O操作时，只需用逻辑设备名提出I/O请求，而不必局限于某特定的物理设备。
操作系统：操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，以及方便用户的程序的集合。
其主要功能是实现处理机管理、内存管理、I/O设备管理、文件管理和用户接口。
文件：指具有文件名的若干相关元素的集合。
进程:进程是程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立的基本单位。
虚拟存储器：指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。
从用户观点看，虚拟存储器具有比实际内存大得多的容量。
这既方便了用户，又提高了内存的利用率和系统的吞吐量。
另外虚存容量的扩大是以牺牲CPU工作时间以及内、外存交换时间为代价的。
具有多次性，对换性和虚拟性三大主要特征。
文件目录：为了项用户提供对文件的存取控制及保护功能，而按一定规则对系统中的文件名，(亦可包含文件属性)进行组织所形成的表，称为目录表或文件目录。
SPOOLING：即同时联机外围操作，又称脱机操作。
在多道程序环境下，可利用多道程序中的一道程序，来模拟脱机的输入输出功能。
即在联机条件下，将数据从输入设备传送到磁盘，或从磁盘传送到输出设备。
设备管理中的数据传送控制方式有哪几种？分别简述如何实现的。
程序直接控制：由用户进程来直接控制内存或CPU和外设间的信息传送。
中断方式：进程通过CPU发出指令启动外设，该进程阻塞。
当输入完成时，I/O控制器通过中断请求线向CPU发出中断信号，CPU进行中断处理。
DMA方式：在外设和内存之间开辟直接的数据交换通路。
通道控制方式：CPU发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就可启动通道并使该通道从内存中调出相应的通道指令执行。
cache缺页课程设计
cache缺页课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解Cache的基本概念，掌握Cache的工作原理和缺页中断发生的条件；2. 学习并掌握Cache的替换策略，如LRU、FIFO等；3. 掌握Cache的性能评价指标，如命中率、缺失率等。
技能目标：1. 能够运用Cache的概念和原理分析实际计算机系统中的存储优化问题；2. 学会设计简单的Cache替换策略，并通过模拟实验验证其效果；3. 能够运用性能评价指标评估不同Cache策略的优劣。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机系统结构的兴趣，激发他们探索存储优化技术的热情；2. 培养学生的团队合作精神，使他们学会在小组讨论中相互学习、共同进步；3. 培养学生严谨的科学态度，使他们认识到计算机技术在实际应用中的重要性。
本课程针对高中年级学生，结合计算机科学知识，注重理论与实践相结合。
课程性质为选修课，旨在帮助学生深入理解计算机系统结构，掌握Cache相关知识。
根据学生的认知水平和兴趣，课程设计力求生动有趣、实践性强。
通过本课程的学习，学生将能够提高自己的计算机素养，为未来进一步学习计算机科学打下坚实基础。
二、教学内容1. Cache的基本概念与工作原理- Cache的定义、作用和位置- Cache与主存储器的层次结构- 缺页中断与缺页置换2. Cache替换策略- LRU（最近最少使用）策略- FIFO（先进先出）策略- 随机替换策略- 最优替换策略3. Cache性能评价指标- 命中率、缺失率、失误率- 访问时间、缺失处理时间- 性能曲线分析4. 实践操作与案例分析- Cache模拟软件的使用- 设计并实现简单的Cache替换策略- 分析不同策略对性能的影响5. 小组讨论与总结- 分组讨论Cache在实际应用中的优化问题- 总结各类Cache策略的优缺点- 探讨Cache技术在未来发展趋势教学内容参照教材相关章节，结合课程目标进行系统组织。
课程进度安排合理，确保学生能够逐步掌握Cache知识，并通过实践操作和案例分析，提高分析问题和解决问题的能力。
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• 虚拟内存基本简介： 虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技 术。它使得应用程序认为它拥有连续的可 用的内存（一个连续完整的地址空间）， 而实际上，它通常是被分隔成多个物理内 存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存 储器上，在需要时进行数据交换
• 中断：
是指计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或 特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异 常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回现行程序的 间断处，继续执行原程序。
• 5) 如果选择的页框“脏”了，安排该页写回磁盘，并发生 一次上下文切换，挂起产生缺页中断的进程，让其他进程 运行直至磁盘传输结束。无论如何，该页框被标记为忙， 以免因为其他原因而被其他进程占用。 • 6) 一旦页框“干净”后（无论是立刻还是在写回磁盘后）， 操作系统查找所需页面在磁盘上的地址，通过磁盘操作将 其装入。该页面被装入后，产生缺页中断的进程仍然被挂 起，并且如果有其他可运行的用户进程，则选择另一个用 户进程运行。 • 7) 当磁盘中断发生时，表明该页已经被装入，页表已经更 新可以反映它的位置，页框也被标记为正常状态。 • 8) 恢复发生缺页中断指令以前的状态，程序计数器重新指 向这条指令。 • 9) 调度引发缺页中断的进程，操作系统返回调用它的汇编 语言例程。 • 10) 该例程恢复寄存器和其他状态信息
缺页：
是指cpu需要访问的页不在是要访问的页不在主存，需要操作系统将 其调入主存后再进行访问。
• 缺页中断发生时的事件顺序如下：
• 1) 硬件陷入内核，在堆栈中保存程序计数器。大多数机器 将当前指令的各种状态信息保存在特殊的CPU寄存器中。 • 2) 启动一个汇编代码例程保存通用寄存器和其他易失的信 息，以免被操作系统破坏。这个例程将操作系统作为一个 函数来调用。 • 3) 当操作系统发现一个缺页中断时，尝试发现需要哪个虚 拟页面。通常一个硬件寄存器包含了这一信息，如果没有 的话，操作系统必须检索程序计数器，取出这条指令，用 软件分析这条指令，看看它在缺页中断时正在做什么。 • 4) 一旦知道了发生缺页中断的虚拟地址，操作系统检查这 个地址是否有效，并检查存取与保护是否一致。如果不一 致，向进程发出一个信号或杀掉该进程。如果地址有效且 没有保护错误发生，系统则检查是否有空闲页框。如果没 有空闲页框，执行页面置换算法寻找一个页面来淘汰。