第五章 虚拟存储器
计算机组成原理课件 虚拟存储器
4.2 虚拟存储器
例1：一个程序共有5个页面组成，分别为P1～P5。程序执行过程中的页地 址流（即程序执行中依次用到的页面）如下：P1，P2，P1，P5，P4，P1， P3，P4，P2，P4，假设分配给这个程序的主存储器共有3个页面。图中， 用"*"号标记下次将要被替换掉的页面。
4.2 虚拟存储器
内部地址变换：多用户虚拟地址Av变换成贮存实地址A 多用户虚拟地址中的页内偏移量D直接作为主存实地址中的页内偏移d 主存实页号p与它的页内偏移d直接拼接就得到主存是地址A
4.2 虚拟存储器
一个用户程序要访问虚拟存储器时，必须给出多用户虚拟地址Av。在操作系统和 有关硬件的共同管理下，首先进行内部地址变换。 如果变换成功（命中），得到主存实页号p。把主存实页号p与它的页内偏移d直 接拼接起来就得到主存实地址A，访问主存储器。 如果内部地址变换失败（未命中），表示要访问数据不在主存储器中，必须访问 磁盘存储器。这时，进行外部地址变换。 外部地址变换主要用软件实现，首先查外页表得到与虚页号P相对应的磁盘存储 器的实地址，然后再查内页表（主存实页表），看主存储器中是否有空页。如果主 存储器中还有空页，只要找到空页号。把磁盘存储器的实地址和主存储器的实页号 送入输入输出处理机（输入输出通道）等，在输入输出处理机的控制下，把要访问 数据所在的一整页都从磁盘存储器调入到主存储器。 如果主存储器中已经没有空页，则要采用某种页面替换算法，先把主存中暂时不 用的一页写回到磁盘存储器中原来的位置上，以便腾出空位置来存放新的页。 在进行外部地址变换时，如果没有命中，则表示所需要的页还不在磁盘存储器中。 这时，要在操作系统控制下，启动磁带机、光盘存储器等海量存储器，先把与所需 要数据相关的文件从海量存储器中调入磁盘存储器。
虚拟存储器附答案
第五章虚拟存储器一、单项选择题1. 虚拟存储器的最大容量＿＿＿。
*A. 为内外存容量之和 B. 由计算机的地址结构决定（（（实际容量C. 是任意的D. 由作业的地址空间决定虚拟存储器是利用程序的局部性原理，一个作业在运行之前，没有必要全部装入内存，而只将当前要运行那部分页面或段装入便可以运行，其他部分放在外部存储器内，需要时再从外存调入内存中运行，首先它的容量必然受到外存容量的限制，其次寻址空间要受到计算机地址总线宽度限制。
最大容量（逻辑容量）收内外存容量之和决定，实际容量受地址结构决定。
2．在虚拟存储系统中，若进程在内存中占3块（开始时为空），采用先进先出页面淘汰算法，当执行访问页号序列为1﹑2﹑3﹑4﹑1﹑2﹑5﹑1﹑2﹑3﹑4﹑5﹑6时，将产生＿＿＿次缺页中断。
（开始为空，内存中无页面，3块物理块一开始会发生三次缺页。
）A. 7B. 8C. 9D. 103. 实现虚拟存储器的目的是＿＿＿.A.实现存储保护B.实现程序浮动C.扩充辅存容量D.扩充主存容量4. 作业在执行中发生了缺页中断,经操作系统处理后,应让其执行＿＿＿指令.（书本158页，（2）最后一句话）A.被中断的前一条B.被中断的C.被中断的后一条D.启动时的第一条5．在请求分页存储管理中，若采用FIFO页面淘汰算法，则当分配的页面数增加时，缺页中断的次数________。
(在最后一题做完后再作答)答案错误选择：DA．减少 B. 增加 C. 无影响 D. 可能增加也可能减少6. 虚拟存储管理系统的基础是程序的________理论.A. 局部性B. 全局性C. 动态性D.虚拟性7. 下述_______页面淘汰算法会产生Belady现象.A. 先进先出*B. 最近最少使用C. 最近不经常使用D. 最佳二. 填空题1. 假设某程序的页面访问序列为1.2.3.4.5. 2. 3. 1. 2. 3. 4. 5. 1. 2. 3. 4且开始执行时主存中没有页面，则在分配给该程序的物理块数是3 且采用FIFO方式时缺页次数是____13____; 在分配给程序的物理块数是4且采用FIFO方式时，缺页次数是___14______; 在分配给程序的物理块数是3且采用LRU方式时，缺页次数是______14____。
计算机虚拟存储器思维导图
改进型——增加对修改位M思维判断
lo 置换算法（对访问位A的判断）
空闲页面链表
页面缓冲算法（ A,pa
n
修改页面链表
lg i ）
页面置换算法
格式：页号+物理块号+状态位P+访问字段A+修 改位M+外存地址
请求页表机制 缺页中断机构
硬件
地址变换机构（过程图很关键）
即能保证进程正常运行所需的最小物理块数
离散性
指在内存分配时采用离散的分配方式，它是虚拟 存储器的实现的基础
多次性
指一个作业被分成多次调入内存运行，即在作业 运行时没有必要将其全部装入，只须将当前要运 行的那部分程序和数据装入内存即可。多次性是 虚拟存储器最重要的特征
对换性 虚ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性
指允许在作业的运行过程中在内存和外存的对换 区之间换进、换出。
即刚被换出的页很快又要被访问，需要将它重新 调入，此时又需要再选一页调出
抖动的概念
最佳置换算法(需要预知后面进程，所以不能实 现)
选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰
先进先出页面置换算法（ I O）
寄存器支持 特殊的栈结构
最近最久未使用置换算法（L U）Re n
最少使用置换算法（L U）F e n
系统应该从何处调入这些页面
页面调入策略
页面调入过程
缺页率（出计算题）
请求分段的段表机构
缺段中断机构
硬件
请求分段系统
地址变换机构
虚拟存储器的实现方式
第五章：虚拟存储器
常规存储管理方式的特征
一次性 驻留性
局部性原理
虚拟存储器的基本概念
虚拟存储器是为扩大主存而采用 的一种设计技巧，它的容量与主存大 小无直接关系，而受限于计算机的地 址结构及可用的辅助存储器的容量。
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4. 虚拟存储器的容量
• 1一个虚拟存储器的最大容量是由计算机 的 地 址 结 构 确 定 的 。 如 ： 若 CPU 的 有 效 地址长度为32位，则程序可以寻址范围 是0～(2^32)-1 ，即虚存容量为 4GB。
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第三，很少出现连续的过程调用，相反， 程序中过程调用的深度限制在小范围 内，一段时间内，指令引用被局限在 很少几个过程中。
第四，对于连续访问数组之类的数据结 构，往往是对存储区域中相邻位置的 数据的操作。
第五，程序中有些部分是彼此互斥的， 不是每次运行时都用到的，如出错处 理程序。
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3.虚拟存储器的定义： 在具有层次结构存储器的计算机系统中， 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存储器系统， 为用户提供一个比物理主存容量大得多 的，可寻址的一种“主存储器”。
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5. 局部性原理
• 程序局部性原理 在一段时间内一个程序的执行往往呈现出 高度的局部性，表现在时间与空间两方面
• 时间局部性： 一条指令被执行了，则在不久的将来它可 能再被执行
• 空间局部性： 若某一存储单元被使用，则在一定时间
内，与该存储单元相邻的单元可能被使用
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第一，程序中只有少量分支和过程调用， 大都是顺序执行的指令。 第二，程序包含若干循环，是由相对 较少的指令组成，在循环过程中，计 算被限制在程序中很小的相邻部分中。
• 2虚拟存储器的容量与主存的实际大小没 有直接的关系，而是由主存与辅存的容量 之和所确定。
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虚拟存储管理主要采用以下技 术实现：
OS第五章
2. 动态分区时的分配与回收 动态分区时的分配方法从可用表或自由链中寻找 空闲区的常用方法（算法）有三种： ①最先适应法(first fit algorithm，FF)
②最佳适应法(best fit algorithm，BF)
③最坏适应法(worst fit algorithm，WF)
(1) 最先适应法——FF 也称为首次适应算法。
结构：
(1) 分配结构：登记内存使用情况，供分配程序使用
的表格与链表。如内存空闲区表、空闲区队列等。
(2) 放置策略：确定调入内存的程序和数据在内存 中的位置。这是一种选择内存空闲区的策略。
(3) 交换策略：在需要将某个程序段和数据调入内 存时，如果内存中没有足够的空闲区，由交换策 略来确定把内存中的哪些程序段和数据段调出内 存，以便腾出足够的空间。 (4) 调入策略：外存中的程序段和数据段什么时间 按什么样的控制方式进入内存。调入策略与本节 中所述内外存数据流动控制方式有关。
动态重定位的主要优点有：
(1) 可以对内存进行非连续分配。 (2) 动态重定位提供了实现虚拟存储器的基础。 (3) 有利于程序段的共享。
动态重定位的具体过程是：
(4) 地址变换机构把VR和BR的内容相加，得到实际 (3) 在程序执行过程中，将所要访问的虚拟地址送 (2) 设置基地址寄存器BR，虚拟地址寄存器VR。 (1) 将程序段装入内存，且将其占用的内存区首地址 访问的物理地址。 入VR中，例如在下图中执行LOAD A 500语句时， 送BR中。例如，在下图中，(BR)=1000。 将所要访问的虚拟地址500放入VR中。
1、虚拟存储器 2、地址变换 3、内外存数据传输的控制 4、内存的分配与回收 5、内存信息的共享与保护
5.1.1 虚拟存储器
现代操作系统安德鲁课后题答案第五章
现代操作系统安德鲁课后题答案第五章
1. 在计算机硬件中，中央处理器单元（CPU）负责什么？
中央处理器单元（CPU）是计算机硬件中最重要的部件，负责对输入的指令和数据执行操作、处理数据以及控制计算机硬件和软件进行交互。
2. 应用程序通常包含哪些组成部分？
应用程序通常由用户界面、输入处理、核心功能和输出处理等几个部分组成。
用户界面图形类型能够让用户与计算机进行交互；输入处理对输入的指令进行解释；核心功能根据使用者的要求执行操作；输出处理显示结果给用户。
3. 虚拟存储器是什么？
虚拟存储器是一种计算机存储技术，它使得应用程序可以运行在一个体积更大的存储空间中，而不会与实际可用的物理内存空间发生冲突。
通过使用虚拟存储器，应用程序可以更灵活地使用内存，可以处理更大的数据量。
4. 中断是什么？
中断是指计算机遇到的某种外部输入或者硬件错误时，发出的中
断请求，以此来卸载CPU的工作状态，重新定位中断程序，以响应这
种外部输入或者硬件错误。
中断可以将计算机从一种状态转换到另一
个状态，从而在特殊环境下完成某些程序，例如：处理设备控制命令，更新显示器，处理磁盘输入和输出等等。
5. 什么是并行处理？
并行处理是一种技术，它能够在多个设备（通常是多个计算机）
上同时运行几个任务。
它的原理是，将原本要完成的复杂任务分解成
多个小任务，将这些小任务分发给多个设备，各个设备独立执行任务，最后将结果统一输出，从而达到有效率地完成工作的目的。
计算机操作系统教程(张尧学(第三版)第五章
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关于动态地址重定位可以如下图所示的过程说明：
制 作 者 ： 郭 平 、 王 在 模 、 何 静 媛
用户程序的虚地址空间 0 100 1KB 0 内存 基地址寄存器 操作系统 22628 22KB 22528
XXXXX
20KB 22KB 22KB+100 XXXXXX
制 作 者 ： 郭 平 、 王 在 模 、 何 静 媛
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动态地址重定位
制 作 者 ： 郭 平 、 王 在 模 、 何 静 媛
动态地址重定位是在程序执行过程中，在CPU访问 内存之前，将要访问的程序或数据地址转换成内存地 址。动态地址重定位依靠硬件地址变换机构完成。
硬件地址转换机构一般由一个“基地址寄存器” 和一个“虚地址寄存器”组成，用户程序不做任何修 改地装入分配给它的存储区域。当调度到用户程序运 行时，则转换成实际的物理地址。
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分区的分配与释放
制 作 者 ： 郭 平 、 王 在 模 、 何 静 媛
分区的分配： 若采用的是一个队列的管理方案，则当一个分区被释放时， 需要在队列中选出一个作业运行，可以有以下几种方案： （1）选出第一个可容纳的作业。该方案虽然实现简单，选择 率高，但是可能会因为一个小作业进入而浪费掉该分区的大部分 存储空间，存储利用率不高。 （2）在队列中找出该分区能容纳的最大的作业。由于每个分 配出的分区产生出的内部碎片小，因此，此方案存储空间的利用 率高；缺点是对小作业不公平。
22kb10022kb300023kbd图51地址变换示意图郭平王在模何静媛其中程序a中的一条入口地址为3000的一条指令为call100其中程序a中的一条入口地址为3000的一条指令为call100在装入内存之后由于程序的起始地址不再为0故程序中的指令需要做相应的转换
操作系统第5章存储管理3虚拟存储
举例：某进程依次访问如下地址：
0100，0432，0101，0612，0102，0103， 0104，0101，0611，0102，0103，0104， 0101，0610，0102，0103，0104，0101， 0609，0102，0105。若页面大小为100， 上述访问串可简化为： 1，4，1，6，1，6，1，6，1，6，1
4 0 3
2 3 4 2 0 4
是 是 是 是 否 是 是 是 是 是 是 否 否
7 0 1 2 3 0 4
结果：缺页次数共10次。
次序
页 面 分 配 情 况 是否 缺页 换出 的页
7
0
1 1
2 2
0
3 3
0 0
4 4
2 2
3 3
0 0
3
2
0
7 7
0
7
1
0
2
1
3
2
0
3
4
0
2
4
3
2
是 是 是 是 否 是 是 是 是 是 是 否 否 7 0 1 2 3 0 4
4 0 3
是 是 是 是 否 是 是 是 是
7 0 1 2
次序
7
0
1
2
0
3
0
4
2
3
0
3
2
页 面 分 配 情 况
是否 缺页 换出 的页
1 2 0 7 7 0 1 7 0
3 0 2 3 1 2
4 0 3
2 4 0
是 是 是 是 否 是 是 是 是 是
7 0 1 2 3
次序
7
0
1
2
0
3
0
操作系统第五章虚拟存储器-答案
操作系统第五章复习题一、选择题1、虚拟存储器功能的管理方法包括（）。
A 可变分区存储管理B 基本分页存储管理C 请求分段存储管理D 段页式存储管理2、虚拟存储器的最大容量（）。
A 由作业的地址空间决定B 是任意的C 由计算机的地址结构决定的D 为内、外容量之和3、下面的页面置换算法中会产生所谓Belady 异常现象的是（）。
A 最佳页面置换算法（OPT）B 先进先出页面置换算法(FIFO)C 最近最久未使用页面置换算法(LRU)D 最少使用页面置换算法（LFU）4、实现虚拟存储器的目的是（）。
A 实现存储保护B 实现程序浮动C 扩充辅存容量D 扩充内存容量5、把作业地址空间使用的逻辑地址变成内存物理地址为（）。
A 加载B 重定位C 物理化D 逻辑化6、虚拟存储管理系统的基础是程序的（）理论。
A 局部性B 全局性C 动态性D 虚拟性7、从下列关于非虚拟存储器的论叙中，选出一条正确的论叙。
（）A 要求作业在运行前，必须全部装入内存，且在运行过程中也必须一直驻留内存。
B 要求作业在运行前，不必全部装入内存，且在运行过程中不必一直驻留内存。
C 要求作业在运行前，不必全部装入内存，但在运行过程中必须一直驻留内存。
D 要求作业在运行前，必须全部装入内存，且在运行过程中不必一直驻留内存。
二、判断题1、虚拟存储器时物理上扩充内存容量。
（F ）2、为提高请求分页系统中内存的利用率，允许用户使用不同大小的页面。
（F ）3、在请求分页式系统中，以页为单位管理用户的虚空间，以段为单位管理内存空间。
(F )三、填空题1、在页式存储器管理系统中，常用的页面淘汰算法有：（最佳），选择淘汰不再使用或最远的将来才使用的页；（ FIFO），选择淘汰在内存驻留时间最长的页；2、在请求分页系统中，若逻辑地址中的页号超过页表控制寄存器中的页表长度，则会引起（越界中断）；否则，若所需的页不在内存中，则会引起（缺页中断）。
四、简答题1、虚拟存储器有哪些特征？其中最本质的特征是什么？2、实现虚拟存储器需要哪些硬件支持？3、说明请求分段系统中的缺页中断处理过程。
操作系统第二版第五章课后习题答案
第五章存储管理作业答案2、6、10、13、15、162、解释下列概念：物理地址、逻辑地址、逻辑地址空间、内存空间、重定位、静态重定位、动态重定位、碎片、紧缩、可重定位地址。
物理地址——内存中各存储单元的地址由统一的基地址顺序编址，这种地址称为物理地址。
逻辑地址——用户程序经编译之后的每个目标模块都以0为基地址顺序编址，这种地址称为逻辑地址。
逻辑地址空间——由程序中逻辑地址组成的地址范围叫做逻辑地址空间。
内存空间——由内存中的一系列存储单元所限定的地址范围称作内存空间。
重定位——把逻辑地址转变为内存物理地址的过程叫做重定位。
静态重定位——在目标程序装入内存时所进行的重定位。
动态重定位——在程序执行期间，每次访问内存之前进行的重定位。
碎片——在分区法中，内存出现许多容量太小、无法被利用的小分区称作“碎片”。
紧缩——移动某些已分配区的内容，使所有作业的分区紧挨在一起，而把空闲区留在另一端，这种技术称为紧缩。
可重定位地址——当含有它的程序被重定位时，将随之被调整的一种地址。
6、什么是虚拟存储器？它有哪些基本特征？参考答案：虚拟存储器是用户能作为可编址内存对待的虚拟存储空间，在这种计算机系统中实现了用户逻辑存储器与物理存储器分离，它是操作系统给用户提供的一个比真实内存空间大得多的地址空间。
虚拟存储器的基本特征是：虚拟扩充——不是物理上，而是逻辑上扩充了内存容量；部分装入——每个作业不是全部一次性地装入内存，而是只装入一部分；离散分配——不必占用连续的内存空间，而是“见缝插针”；多次对换——所需的全部程序和数据要分成多次调入内存。
10、某虚拟存储器的用户编程空间共32个页面，每页为1KB，内存为16KB。
假定某时刻一个用户页表已调入内存的页面页号和物理块号如表5-1所示。
则逻辑地址0A5C(H)所对应的物理地址为。
表5-1 页表中页号和物理块号对照表参考答案：0A5C(H)换成二进制：页号为2，查表，对应物理块号为4，与页内地址拼接成物理地址：再转换为十六进制，即125C(H)13、已知段表如表5-2所示。
东软操作系统习题及答案（5）
第五章虚拟存储器一、单项选择题1、以下存储管理技术中，支持虚拟存储器的技术是（）。
A．动态分区分配B．可重定位分区分配C．请求分页存储管理D．基本分页存储管理2、请求分页存储管理中，若把页面尺寸增加一倍，在程序顺序执行时，则一般缺页中断次数会（）。
A．增加B．减少C．不变D．可能增加也可能减少3、虚拟存储管理策略可以（）。
A．扩大物理内存容量B．扩大物理外存容量C．扩大逻辑内存容量D．扩大逻辑外存容量4、下列那一条（）不是影响缺页率的主要因素。
A．缺页中断服务速度B．分配给作业的物理块数C．系统规定页面的大小D．页面调度算法二、填空题1、在虚拟存储机制中，进程的一部分装入内存，一部分保留在硬盘上。
当发现某条指令不在内存中时，发生__________。
1、虚拟存储器的特征有__________，__________和__________。
2、在请求分页存储管理中，每当要访问的页面不在内存时，会产生__________。
3、在请求分段存储管理中，当运行进程要访问的段尚未调入内存时，会产生__________。
5、在请求分页存储管理中，进程的某页可能会重复地被换出和换入内存，发生多次的缺页中断，影响程序执行的性能，这种现象称为__________。
6、某虚拟存储器的用户空间共有32个页面，每页1KB，主存16KB。
假定某时刻系统为用户的第0，1，2，3页分别分配的物理块号为5，10，4，7，虚拟地址065C和0D3C变换为物理地址后分别是__________和__________。
（十六进制）7、在一个请求分页存储管理系统中，采用先进先出页面置换算法时，假如一个作业的页面走向为1，3，2，4，2，3，5，4，3，1，2，5。
当分配给该作业的物理块数M分别为3和4时，访问过程中发生的缺页次数为__________和__________。
（假定开始时，物理块中为空）8、在一个请求分页存储管理系统中，某程序的页面走向为：2，3，2，1，5，2，4，5，3，2，5，2。
5.5 虚拟存储器
主存地址 实存地址
河南科技大学
虚拟存储器虚实地址变换
明德
博学
日新
笃行
段页式管理方式下的地址变换
在段页式虚拟存储系统中，每道程序是通过一个段表和一组页表来进行 定位的。
段表中每个表目对应一个段，每个表目有一个指向该段的页表起始地址 （页号）及该段的控制保护信息。由页表指明该段各页在主存中的位置以及 是否装入、已修改等状态信息。
地址。 虚拟地址是由编译程序生成的。工作在虚拟地址模式下的CPU理解这些虚拟
地址，并将他们转换为物理地址。 实际上，虚拟存储器的内容是要保存在磁盘上的，因此虚拟地址空间的大小
受辅助存储器容量的限制。
河南科技大学
虚拟存储器的基本概念
明德
博学
日新
笃行
3、虚拟存储器的工作原理
从原理上看，主存—外存层次和cache—主存层次有很多相似之处，他们都 是基于程序局部性原理，把程序最近常用的部分驻留在高速的存储器中；一旦 这部分不常用了，就送回到低速存储器中；这种换入换出是由硬件或操作系统 完成，无需用户干预；最终达到使存储系统的性能接近高速存储器，而价格接 近低速存储器。他们采用的地址映射和替换策略，从原理上看也是相同的。但 是由于磁盘的存取速度是主存的上千倍，而cache的存取速度是主存的5～10倍， 因此在虚拟存储器中未命中的性能损失要远大于cache系统中的损失。
河南科技大学
虚拟存储器虚实地址变换
明德
博学
日新
笃行
页式虚拟存储器地址变换：页式管理下的虚实地址的变换是通过页表实现的。
页表基址寄存器
虚存地址
页面基地址
逻辑页号
页内行地址
+ 有效位 主存页面号
计算机操作系统-第四版-汤小丹-梁红兵-哲凤屏-第5章(2016-2017-1)
第五章 虚拟存储器
5.2.1 请求分页 中的硬件支持
3．地址变换机构
缺页中断处理
程序请求访问一页 开始
保留CPU现场
页号＞页表长度?
是
从外存中找到缺页
内存满否？
否
是 选择一页换出
否
该页被修改否？
是 将该页写回外存
产生缺页中断 请求调页
否 CPU检索快表
页表项在快表中？
是
否 访问页表
页在内存？
是 修改快表
第五章 虚拟存储器
5.1.1 常规存储管理方式的特征和局部性原理
2．局部性原理
Denning.P在1968指出：程序在执行时将呈现出局部性规 律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个部分； 相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。他提出了 下述几个论点：(1) 程序执行时，除了少部分的转移和过程 调用指令外，在大多数情况下仍是顺序执行的;(2)在过程调 用中，程序将会在一段时间内都局限在这些过程的范围内运 行； (3) 程序中存在许多循环结构；(4) 程序中许多对数据 结构的处理，往往都局限于很小的范围内。
引用率 70120304230321201701
7772
2
4440
1
1
7
000
0
0033
11
3
3222
3
0
0
2
2
1
页框
LRU页面置换算法
第五章 虚拟存储器
5.3.2 最近最久未使用和最少使用置换算法
2．LRU置换算法的硬件支持 1) 寄存器 移位寄存器，记录某进程在内存中各页的使用情况。
R = Rn-1Rn-2Rn-3 … R2R1R0
《操作系统》课件05 虚拟存储器
=0.1+24999.9*p
如果缺页率p=0.001（即在1000次的页面访问中，仅发生一 次缺页）
则 有 效 访 问 时 间 约 为 25μs ， 与 无 缺 页 相 比 ， 速 度 降 低 至 1/250。
第五章 虚拟存储器
如果希望在缺页时有效访问时间延长不超过10%，则有 0.11>0.1+24999.9*p
（1）CPU利用率为13%，盘利用率为3%；
第五章 虚拟存储器
答：
（1）此时发生抖动现象。增加多道程序度会进一步增加缺页 率，使系统性能进一步恶化，所以不能用增加多道程序度数来 增加CPU的利用率。
（2）CPU利用率已经相当高，盘利用率却相当低，即进程的 缺页率很低，此时应适当增加多道程序度数来增加CPU的利用 率。
第五章 虚拟存储器
图 4-28 某进程具有8个页面时的LRU访问情况
第五章 虚拟存储器
2) 栈
47 0 7 1 01 2 1 2 6 2126
1 01 1 2 1 2 0 7 7 10 0 0 0 1 7 7 0 0 77 7 7 7 0 44 4 4 4 44 4 4 4 7
图 4-29 用栈保存当前使用页面时栈的变化情况
第五章 虚拟存储器
例：考虑一个请求分页系统，它采用全局置换策略和平均分配 内存块的算法（即若有m个内存块和n个进程，则每个进程分得 m/n个内存块）。如果该系统测得如下CPU和对换盘利用率， 请问能否用增加多道程序度数来增加CPU的利用率？为什么？
（1）CPU利用率为13%，盘利用率为97%；
（2）CPU利用率为87%，盘利用率为3%；
第五章 存储管理(3)习题
第五章 内存管理(3)一、单项选择题1．虚拟存储技术是 。
A ．补充内存物理空问的技术B ．补充相对地址空间的技术C ．扩充外存空问的技术D ．扩充输入输出缓冲区的技术 2．以下不属于虚拟内存特征的是 。
A ．一次性B ．多次性C ．对换性D ．离散性 3．虚拟内存的基础是 。
A ．局部性理论B ．代码的顺序执行C ．变量的连续访问D ．指令局部性4．实施虚拟存储器管理的依据是程序的 。
A ．局部性原 B ．动态性原理 C ．并发性原 D ．一致性原理5．实现虚拟内存最主要的技术是 。
A ．整体覆盖 B ．整体对换 C ．部分对换 D ．多道程序设计6．虚拟存储器是 。
A ．可以容纳总和超过主存容量的多个作业同时运行的一个地址空间B ．可提高计算机运算速度的设备C ．容量扩大了的主存D ．实际上不存在的存储器7．若处理器有32位地址，则它的虚拟地址空间为 字节。
A ．2GB B ．4GB C ．100KB D ．640KB8．设主存容量为1MB ，外存容量为400MB ，计算机系统的地址寄存器有24位，那么虚存的最大容量是 。
A ．1MB B ．401MBC ．1MB+242 B D ．242 B9．在一个计算机系统中，其虚拟存储器的最大容量是由 E 确定的，其实际容量是由 D 确定的。
A ．计算机字长B ．内存容量C ．硬盘容量D ．内存和硬盘容量之和E ．计算机的地址结构10．以时间换空间的技术是 。
A ．分时技术B ．虚拟技术C ．并发技术D ．缓冲技术 11．有关虚拟存储器的叙述中正确的是——。
A ．要求作业运行前，必须全部装入内存，且在运行中必须常驻内存B ．要求作业运行前，不必全部装入内存，且在运行中不必常驻内存C ．要求作业运行前，不必全部装入内存，但在运行中必须常驻内存D ．要求作业运行前，必须全部装入内存，且在运行中不必常驻内存 12．在请求分页系统中，分页是由 实现的。
第5章计算机操作系统答案 存储管理
第五章存储管理一、选择题：1.将作业地址空间中的逻辑地址转换为内存中的物理地址的过程称为（）。
A.重定位B.逻辑变换C.地址交换D.进程创建2.虚存的基础是（）。
A.局部性理论B.程序执行时对内存访问不均匀C.指令局部性D.变量的连续访问3.实现虚拟存储器的目的是（）。
A.实现存储保护B.实现信息共享C.扩充辅存容量D.扩充主存容量4.在地址映射方式中，静态重定位具有的特点是（）。
A.可以把一个作业分配在一个不连续的存储区域中B.可以实现不同作业主存信息的共享C.要求把一个作业分配在一个连续的存储区域中D.很容易实现主存的扩充5.在地址映射方式中，动态重定位具有的特点是（）。
A.很难实现主存的扩充,可采用覆盖技术来实现B.地址在执行过程中是可以改变的C.很难实现不同作业主存信息的共享D.非常简单，任何计算机，任何操作系统都可以实现6.可重定位内存分区分配目的为（）。
A.解决碎片问题B.便于多作业共享内存C.回收空白区方便D.摆脱用户干预7.实现虚存最主要的技术是（）。
A.整体覆盖B.整体对换C.部分对换D.多道程序设计8.动态重定位是在作业的（）中进行的。
A.编译过程B.装入过程C.修改过程D.执行过程9.在下面关于虚拟存储器的叙述中，正确的是（）。
A.要求程序运行前必须全部装入内存且在运行过程中一直驻留在内存B.要求程序运行前不必全部装入内存且在运行过程中不必一直驻留在内存C.要求程序运行前不必全部装入内存且在运行过程中必须一直驻留在内存D.要求程序运行前必须全部装入内存且在运行过程中不必一直驻留在内存10.虚存的可行性的基础是（）A.程序执行的离散性B.程序执行的顺序性C.程序执行的局部性D.程序执行的并发性11.在存储管理中，采用覆盖与交换技术的目的是（）。
A.减少程序占用的主存空间B.物理上扩充主存容量C.提高CPU效率D.代码在主存中共享12在内存分配的“最佳适应法”中，空闲块是按（）。
操作系统题目5章
第五章虚拟存储器1、在请求分页管理中，在页表中增加了若干项，其中状态位供（）时参考，修改位供（）时参考，访问字段供（）时参考，外存地址供（）时参考。
A、分配页面B、置换算法C、程序访问D、换出页面E、调入页面2、请求页式管理中，缺页中断率与进程所得的内存页面数（）和（）等因素有关。
A、页表的位置B、置换算法C、页面大小D、进程调度算法3、请求分页管理中，页面的大小与可能产生的缺页中断次数（）。
A、成正比B、成反比C、无关D、成固定比值4、下列说法正确的是（）。
A、在请求段页式系统中，以页为单位管理用户的虚拟空间，以段为单位管理内存空间B、在请求段页式系统中，以段为单位管理用户的虚拟空间，以页为单位管理内存空间C、为提高请求分页系统中内存的利用率，允许用户使用不同大小的页面D、在虚拟存储器中，为了能让更多的作业同时运行，通常只应装入10%的作业后便启动运行5、在下面的存储管理方案中，可以使用上下界地址寄存器实现存储保护的是（）和（）。
A、固定分区存储分配B、可变分区存储分配C、页式存储分配D、段式存储分配6、（2011年计算机联考真题）在缺页处理过程中，操作系统执行的操作可能是（）。
Ⅰ、修改页表Ⅱ、磁盘I/O Ⅲ、分配页框A、仅Ⅰ、ⅡB、仅ⅡC、仅ⅢD、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ7、（2011年计算机联考真题）当系统发生抖动（Thrashing）时，可用采取的有效措施是（）。
Ⅰ、撤销部分进程Ⅱ、增加磁盘交换区的容量Ⅲ、提高用户进程的优先级A、仅ⅠB、仅ⅡC、仅ⅢD、仅Ⅰ、Ⅱ8、（2012年计算机联考真题）下列关于虚拟存储器的叙述中，正确的是（）。
A、虚拟存储只能基于连续分配技术B、虚拟存储只能基于非连续分配技术C、虚拟存储容量只受外存容量的限制D、虚拟储存容量只受内存容量的限制9、（2013年计算机联考真题）若用户进程访问内存时产生缺页，则下列选项中，操作系统可能执行的操作是（）。
Ⅰ、处理越界错Ⅱ、置换页Ⅲ、分配内存A、仅Ⅰ、ⅡB、仅Ⅱ、ⅢC、仅Ⅰ、ⅢD、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ10、（2014年计算机联考真题）下列措施中，能加快虚实地址转换的是（）。
微机原理与接口技术第五章存储器
数据只能读出不能写入，断电后数据不丢 失，常用作固定数据存储。
RAM的分类与特点
静态随机存取存储器（SRAM）
动态随机存取存储器（DRAM）
速度快，集成度低，功耗大，常用作高速 缓冲存储器。
速度较慢，集成度高，功耗小，常用作主 存储器。
异步随机存取存储器（DRAM）
只读存储器（ROM）
速度慢，集成度高，功耗小，价格便宜， 常用于大容量存储。
01
02
03
存储器接口是CPU与主 存储器之间的连接桥梁 ，负责数据的传输和控
制。
存储器接口的主要功能 包括地址译码、数据传
输、读写控制等。
存储器接口的信号线包 括地址线、数据线、控 制线等，用于实现CPU 与主存储器之间的信息
交换。
存储器接口的信号线
01
02
03
地址线
用于传输CPU发出的地址 信号，指向主存储器中的 某个单元。
高密度化
随着技术的不断发展，存储器的容量和集成度将不断提高，以满 足不断增长的数据存储需求。
异构存储集成
未来存储器将朝着异构存储集成的方向发展，结合不同类型存储 器的优点，实现更高效、可靠的数据存储。
新型存储技术
新型存储技术如相变存储器、阻变存储器和闪存等将继续得到发 展，并逐渐应用于商业领域。
04
存储器接口
04
存储器接口
存储器接口的基本概念
01
02
03
存储器接口是CPU与主 存储器之间的连接桥梁 ，负责数据的传输和控
制。
存储器接口的主要功能 包括地址译码、数据传
输、读写控制等。
存储器接口的信号线包 括地址线、数据线、控 制线等，用于实现CPU 与主存储器之间的信息
“抖动”与工作集
5.1 虚拟存储器概述5.2 请求分页存储管理方式 5.3 页面置换算法5.4 “抖动”与工作集5.5 请求分段存储管理方式5.4 “抖动”与工作集1多道程序度与“抖动”2工作集3“抖动”的预防方法1.多道程序度与“抖动”⑴多道程序度与处理机的利用率♋由于虚拟存储器系统能从逻辑上扩大内存，人们希望在系统中能运行更多的进程，即增加多道程序度，以提高处理机的利用率。
♋在虚存中，页面在内存与外存之间频繁调度，以至于调度页面所需时间比进程实际运行的时间还多，此时系统效率急剧下降，甚至导致系统崩溃。
这种现象称为颠簸或抖动。
1.多道程序度与“抖动”1.多道程序度与“抖动”⑵产生“抖动”的原因♋页面淘汰算法不合理♋分配给进程的物理页面数太少5.4 “抖动”与工作集1多道程序度与“抖动”2工作集3“抖动”的预防方法2. 工作集⑴工作集的基本概念♋进程发生缺页率的时间间隔，与进程所获得的物理块数有关。
♋右图示出了缺页率与物理块数之间的关系。
2. 工作集⑵工作集的定义♋在某段时间间隔Δ里，进程实际上要访问页面的集合。
♋具体地说，是把某进程在时间t的工作集记为w(t，Δ),其中的变量Δ称为工作集的“窗口尺寸”。
下图示出了某进程访问页面的序列和窗口大小分别为3、4、5时的工作集。
2. 工作集2. 工作集⑵工作集的定义♋由此可将工作集定义为：进程在时间间隔（t-Δ，t）中引用页面的集合。
♋工作集w(t，Δ)是二元函数，即在不同时间t的工作集大小不同，所含的页面数也不同；与窗口尺寸Δ有关。
工作集大小是窗口尺寸Δ的非降函数：5.4 “抖动”与工作集1多道程序度与“抖动”2工作集3“抖动”的预防方法3.抖动的预防方法⑴采取局部置换策略♋在页面分配和置换策略中，如果采取的是可变分配方式时，为了预防发生“抖动”，可采取局部置换策略。
⑵把工作集算法融入到处理机调度中♋在调度中融入了工作集算法，则在调度程序从外存调入作业之前，必须先检查每个进程在内存的驻留页面是否足够多。
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2019年专升本 操作系统原理
1. 请求页表机制
在请求分页系统中需要的主要数据结构是请求页表，其基本作用仍 然是将用户地址空间中的逻辑地址映射为内存空间中的物理地址。为了
满足页面换进换出的需要，在请求页表中又增加了四个字段。这样，在
请求分页系统中的每个页表应含以下诸项：
页号 物理块号 状态位 P 访问字段 A 修改位 M 外存地址
页中断处理程序。
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4. 缺页率
假设一个进程的逻辑空间为n页，系统为其分配的内存物理块数为 m(m≤n)。如果在进程的运行过程中，访问页面成功(即所访问页面在内 存中)的次数为S，访问页面失败(即所访问页面不在内存中，需要从外存 调入)的次数为F，则该进程总的页面访问次数为A = S + F，那么该进程 在其运行过程中的缺页率即为
(2) 对换性：允许在作业运行过程中将暂不使用的代码和数据从内存 调至外存的对换区，待它们重又具备运行条件时再调入内存。
(3) 虚拟性：指能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容
量远大于实际内存容量。
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5.1.3 虚拟存储器的实现方法
1. 分页请求系统 是在颁布系统的基础上增加了请求调页功能和页面置换功能所形成
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2. 局部性原理
程序运行时存在的局部性现象，很早就已被人发现，但直到1968年， P.Denning才真正指出：
程序在执行时将呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执
行仅局限于某个部分，相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。
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利用该算法去评价其它算法。
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系统为进程分配3个物理块，有以下的页面访问顺序:
7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2
5次缺页中断
— —
—
—
—
图5-3 利用最佳页面置换算法时的置换图
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2. 先进先出(FIFO)页面置换算法
虚拟存储器：是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内
存容量加以扩充的一种存储器系统。
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2. 虚拟存储器的特征
与传统的存储器管理方式比较，虚拟存储器具有以下三个重要特征： (1) 多次性:作业允许被分成多次调入内存运行。即只需将当前要运
行的那部分程序和数据装入内存即可开始运行。
(2) 系统应从何处调入这些页面； (3) 是如何进行调入的。
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1. 何时调入页面
(1) 预调页策略：将那些预计在不久之后便会被访问的页面预先调入 内存
(2) 请求调页策略：产生缺页时，便立即提出请求，OS将所缺的页
面调入内存。
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2. 从何处调入页面
页中断，以及从内存中换出一页的功能等等。图5-2示出了请求分页系统
中的地址变换过程。
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图5-2 请求分页中的地址变换过程
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5.2.2 请求分页中的内存分配
1. 最小物理块数的确定 最小物理块数是批能保证进程正常运行所需的最小物理块数，当系
统为进程分配的物理块数少于些值时，进程将无法进行。
于那些可能被修改的部分，在将它们换出时便须调到对换区，以后需要 时再从对换区调入。
(3) UNIX方式。未运行过的从文件区调入，曾运行过的从对换区调
入
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3. 页面调入过程
每当程序所要访问的页面未在内存时(存在位为“0”)，便向CPU发出 一缺页中断，中断处理程序首先保留CPU环境，分析中断原因后转入缺
状态位P：用于指示该页是否已调入内存，供程序访问时参考。 访问字段A：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页 最近已有多长时间未被访问。 修改位M：标识该页在调入内存后是否被修改过。 外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号。
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2. 缺页中断机构
每当所要访问的页面不在内存时，便产生一缺页中断，请求OS将所缺 之页调入内存。
该算法总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最 久的页面予以淘汰。该算法实现简单，只需把一个进程已调入内存的页
面按先后次序链接成一个队列，并设置一个指针，称为替换指针，使它
总是指向最老的页面。但该算法与进程实际运行的规律不相适应，因为 在进程中，有些页面经常被访问，比如，含有全局变量、常用函数、例
分则根据各进程的优先权进行分配，为高优先进程适当地增加其相应份
额。在有的系统中，如重要的实时控制系统，则可能是完全按优先权为 各进程分配其物理块的。
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5.2.3 页面调入策略
为使进程能够正常运行，必须事先将要执行的那部分程序和数据所 在的页面调入内存。现在的问题是：
(1) 系统应在何时调入所需页面；
F f A
影响缺页率的因素：
1.页面大小
2.进程所分配物理块的数目 3.页面置换算法 4.程序固有特性
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5.3 页面置换算法
在进程运行过程中，若其所要访问的页面不在内存，而需把它们调
入内存，但内存已无空闲空间时，为了保证该进程能正常运行，系统必 须从内存中调出一页程序或数据送到磁盘的对换区中。但应将哪个页面 调出，须根据一定的算法来确定。通常，把选择换出页面的算法称为页 面置换算法(Page-Replacement Algorithms)。 置换算法的好坏将直接影响到系统的性能。进程发生“抖动”：即刚 被换出的页很快又要被访问，需要将它重新调入，此时又需要再选一页
程等的页面，FIFO算法并不能保证这些页面不被淘汰。
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7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2
有9次缺页中断
— — —
— — —
— — —
— — —
图5-4 利用FIFO置换算法时的置换图
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3. 最近最久未使用调度算法LRU(Least Recently Used)
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5.1 虚拟存储器概述
第四章所介绍的各种存储器管理方式有一个共同的特点，即它们都
要求将一个作业全部装入内存后方能运行。于是，出现了下面这样两种 情况： (1) 有的作业很大，其所要求的内存空间超过了内存总容量，作业不 能全部被装入内存，致使该作业无法运行； (2) 有大量作业要求运行，但由于内存容量不足以容纳所有这些作业， 只能将少数作业装入内存让它们先运行，而将其它大量的作业留在外存
调出；而此刚被换出的页很快又被访问，如此频繁更换，就称为进程发
生了“抖动”
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5.3.1 最佳置换算法和先进先出置换算法
1. 最佳(Optimal)置换算法 最佳置换算法是由Belady于1966年提出的一种理论上的算法。其所 选择的被淘汰页面将是以后永不使用的，或许是在最长(未来)时间内不 再被访问的页面。采用最佳置换算法通常可保证获得最低的缺页率。但 由于人们目前还无法预知，一个进程在内存的若干个页面中，哪一个页 面是未来最长时间内不再被访问的，因而该算法是无法实现的，但可以
的页式虚拟存储系统。
1) 硬件支持 主要的硬件支持有：
(1) 请求分页的页表机制。
(2) 缺页中断机构。当用户程序要访问的页面未调入内存时，便产生 一个缺页中断。 (3) 地址变换机构。 2) 实现请求分页的软件
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2. 请求分段系统
是在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后所形成 的段式虚拟存储系统。
局限性又表现在下述两个方面：
(1) 时间局限性：如果程序中的某条指令被执行，则不久以后该指令 可能再次执行。
(2) 空间局限性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附
近的存储单元也将被访问。
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3. 虚拟存储器的基本工作情况
基于局部性原理可知，应用程序在运行之前没有必要将之全部装入 内存，而仅须将那些当前要运行的少数页面或段先装入内存便可运行，
1) 硬件支持
主要的硬件支持有： (1) 请求分段的段表机制。
(2) 缺段中断机构。
(3) 地址变换机构。 2) 软件支持
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5.2 请求分页存储管理方式
请求分页存储管理方式也叫页式虚拟存储管理
5.2.1 请求分页中的硬件支持 为了实现请求分页，系统必须提供一定的硬件支持。计算机系统除 了要求一定容量的内存和外存外，还需要有请求页表机制、缺页中断机 构以及地址变换机构。
上等待。
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5.1.1 常规存储管理方式的特征和局部性原理
1. 常规存储器管理方式的特征 我们把前一章中所介绍的各种存储器管理方式统称为传统存储器管
理方式，它们全都具有如下两个共同的特征：
(1) 一次性：指作业必须一次性地全部装入内存后方能开始运行。 (2) 驻留性 ：指作业被装入内存后，整个作业都一直驻留在内存中。
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3. 物理块分配算法
在采用固定分配策略时，如何将系统中可供分配的所有物理块分配 给各个进程，可采用下述几种算法： (1) 平均分配算法，即将系统中所有可供分配的物理块平均分配给各 个进程。 (2) 按比例分配算法，即根据进程的大小按比例分配物理块。 (3) 考虑优先权的分配算法。一部分按比例地分配给各进程；另一部
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