第11讲虚拟存储：缺页中断
模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断
合肥学院计算机科学与技术系实验报告2011～2012学年第一学期课程操作系统原理课程设计名称模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产学生姓名学号专业班级10计本（2）班指导教师2011年11月1.实验目的：通过实验模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断帮助理解在分页式存储管理中怎样虚拟存储器。
2.实验内容：分页式虚拟存储系统是把作业信息的副本存放在磁盘上，当作业被选中时，可把作业的开始几页先装入主存且启动执行。
作业执行时，指令中的逻辑地址指出了参加运算的操作存放的页号和单元号，硬件的地址转换机构按页号查页表，若该页对应标志为“1”，则表示该页已在主存，这时根据关系式：绝对地址=块号×块长+单元号计算出欲访问的主存单元地址。
如果块长为2的幂次，则可把块号作为高地址部分，把单元号作为低地址部分，两者拼接而成绝对地址。
若访问的页对应标志为“0”，则表示该页不在主存，这时硬件发“缺页中断”信号，由操作系统按该页在磁盘上的位置，把该页信息从磁盘读出装入主存后再重新执行这条指令。
3.实验步骤：任务分析：(1)分页式虚拟存储系统是把作业信息的副本存放在磁盘上，当作业被选中时，可把作业的开始几页先装入主存且启动执行。
为此，在为作业建立页表时，应说明哪些页已在主存，其中，标志----用来表示对应页是否已经装入主存，标志位=1，则表示该页已经在主存，标志位=0，则表示该页尚未装入主存。
主存块号----用来表示已经装入主存的页所占的块号。
在磁盘上的位置----用来指出作业副本的每一页被存放在磁盘上的位置。
(2)作业执行时，指令中的逻辑地址指出了参加运算的操作存放的页号和单元号，硬件的地址转换机构按页号查页表，若该页对应标志为“1”，则表示该页已在主存，这时根据关系式：绝对地址=块号×块长+单元号计算出欲访问的主存单元地址。
如果块长为2的幂次，则可把块号作为高地址部分，把单元号作为低地址部分，两者拼接而成绝对地址。
操作系统实验报告-页式虚拟存储管理中地址转换和缺页中断
操作系统实验报告-页式虚拟存储管理中地址转换和缺页中断实验四页式虚拟存储管理中地址转换和缺页中断一．实验目的（1）深入了解存储管理如何实现地址转换。
（2）进一步认识页式虚拟存储管理中如何处理缺页中断。
二．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。
三．实验原理页式存储管理把内存分割成大小相等位置固定的若干区域，叫内存页面，内存的分配以“页”为单位，一个程序可以占用不连续的页面，逻辑页面的大小和内存页面的大小相同，内外存的交换也以页为单位进行，页面交换时，先查询快表，若快表中找不到所需页面再去查询页表，若页表中仍未找到说明发生了缺页中断，需先将所需页面调入内存再进行存取。
四．实验部分源程序#define size 1024//定义块的大小，本次模拟设为1024个字节。
#include "stdio.h"#include "string.h"#includestruct plist{int number; //页号int flag; //标志，如为1表示该页已调入主存，如为0则还没调入。
int block; //主存块号，表示该页在主存中的位置。
int modify; //修改标志，如在主存中修改过该页的内容则设为1，反之设为0int location; //在磁盘上的位置};//模拟之前初始化一个页表。
struct plist p1[7]={{0,1,5,0,010},{1,1,8,0,012},{2,1,9,0,013},{3,1,1,0,021},{4,0,-1,0,022},{5,0,-1,0,023},{6, 0,-1,0,125}};//命令结构，包括操作符，页号，页内偏移地址。
struct ilist{char operation[10];int pagenumber;int address;};//在模拟之前初始化一个命令表，通过程序可以让其顺序执行。
页式虚拟存储器管理中地址转换和缺页中断心得体会
页式虚拟存储器管理中地址转换和缺页中断心得体会
在页式虚拟存储器管理中，地址转换和缺页中断是非常重要的概念和机制。
地址转换是指将逻辑地址（在进程中使用的地址）转换为物理地址（实际存在于主存储器中的地址）的过程。
它实现了虚拟内存的核心功能，使得每个进程可以感觉到它有独立的连续内存空间，而不受实际的物理内存大小限制。
地址转换通过页表来实现，页表中记录了虚拟页面与物理页面的对应关系。
当进程引用一个虚拟页面时，地址转换会根据页表将其映射到相应的物理地址上。
地址转换过程中还需要使用页表维护一些权限位来控制对页面的读写权限，保障内存的安全性。
缺页中断是在地址转换过程中发现虚拟页面不存在于主存中时触发的事件。
当进程引用一个未加载到内存的页面时，操作系统会产生一个缺页中断。
处理缺页中断的过程一般包括以下几个步骤：首先，操作系统会将控制权转移到中断处理程序，保存当前执行进程的上下文。
然后，操作系统会查找该虚拟页面是否在辅存（如硬盘）上，并将其加载到空闲的物理页面中。
最后，更新页表，将虚拟页面的记录指向新加载的物理页面。
完成这些步骤后，操作系统可以重新执行原进程，并使其继续访问该页面。
通过地址转换和缺页中断机制，页式虚拟存储器管理可以实现更高效的内存管理。
它允许系统在有限的物理内存的情况下运行多个进程，减少了进程间的内存冲突。
同时，通过将未使用的页面交换到辅存中，它也能够提供更大的可用内存空间，提高系统的整体性能。
以上是我对地址转换和缺页中断的心得体会，希望对您有所帮助。
关于缺页率,终于弄明白了
计算用LRU和FIFO算法计算“缺页率”。
在一个虚拟存储管理系统中，假如系统分配给一个作业的内存物理块数是3，并且此作业的页面使用顺序为2，3，2，1，5，2，4，5，3，2，5，2，若采用FIFO和LRU置换算法，其产生的缺页次数分别为 (5) 和 (6) 。
(5) A．6 6) A．6B．7 B．7C．8 C．8D．9 D．9【解析】本题主要考查虚拟内存的页面调度算法。
题目中当采用FIFO时，其页面调度过程如下：2 3 2 1 5 2 4 5 3 2 5 2――――――――――――――2 2 2 2 5 5 5 53 3 3 33 3 3 3 2 2 2 2 2 5 51 1 1 4 4 4 4 4 2可知缺页次数为9。
同样若采用LRU算法，可计算其缺页次数为7。
【解答】FIFO：(按顺序置换)1.刚开始内存并没有这个作业，所以发生缺页中断一次。
作业的2号页进入内存。
(1次缺页中断)2.而页3又不在内存，又发生缺页中断一次。
作业页1进入内存。
(2次缺页中断)3.页2在内存，不发生缺页中断。
4.页1不在内存，发生缺页中断（内存中为2、3、1）。
(3次缺页中断)5.页5不在内存，发生缺页中断，页5进入内存，页2出（内存中为3、1、5）。
(4次缺页中断)6. 接下来调入页2，由于不在内存中（已被置换出来），发生缺页中断。
（内存中为1、5、2）(5次缺页中断)7. 接下来调入页4，由于不在内存中，发生缺页中断。
（内存中为5、2、4）(6次缺页中断)8.页5在内存，不发生缺页中断9. 接下来调入页3，由于不在内存中，发生缺页中断。
（内存中为2、4、3）(7次缺页中断)10. 页2在内存，不发生缺页中断11. 接下来调入页5，由于不在内存中，发生缺页中断。
（内存中为4、3、5）(8次缺页中断)12. 接下来调入页2，由于不在内存中，发生缺页中断。
（内存中为3、5、2）(9次缺页中断)缺页率：9/12LRU:（最近最少用的置换出去）1.刚开始内存并没有这个作业，所以发生缺页中断一次。
页式虚拟存储管理缺页中断的模拟系统的设计
目录目录 (1)一课程设计目的与功能 (2)1目的 (2)2初始条件 (2)3 开发环境 (2)4功能 (2)二需求分析，整体功能及设计数据结构或模块说明 (3)1 需求分析 (3)2 算法分析 (4)3 数据结构 (6)4 各模块函数功能说明 (7)三源程序的主要部分 (7)1 main函数 (7)2 替换算法实现函数 (8)四使用说明 (11)五运行结果与运行情况分析 (11)1 FIFO算法 (11)3 随机替换算法 (13)3 OPT替换算法 (14)结论 (15)六自我评价与总结： (15)参考文献 (16)附录 (16)页式虚拟存储管理缺页中断的模拟系统的设计——OPT、FIFO、随机淘汰算法一课程设计目的与功能1目的通过分析、设计和实现页式虚拟存储管理缺页中断的模拟系统，熟悉和掌握请求分页式存储管理的实现过程，重点掌握当请求页面不在内存而内存块已经全部被占用时的替换算法，熟悉常见替换算法的原理和实现过程，并利用替换算法的评价指标——缺页次数和缺页率，来对各种替换算法进行评价比较。
设计并实现出的结果程序要能够很好地显示页面调入和替换详细信息。
2初始条件（1）预备内容：阅读操作系统的内存管理章节内容，了解有关虚拟存储器、页式存储管理等概念，并体会和了解缺页和页面置换的具体实施方法。
（2）实践准备：掌握一种计算机高级语言的使用3 开发环境（1）使用系统：Windows XP（2）使用语言：C++（3）开发工具：Visual C++ 6.04功能设计的结果程序能实现OPT、FIFO、随机淘汰算法模拟页式存储管理缺页中断，主要能够处理以下的情形：(1) 用户能够输入给作业分配的内存块数；(2) 用户能够输入给定的页面，并计算发生缺页的次数以及缺页率；(3) 程序可随机生成页面序列，替代用户输入；(4) 缺页时，如果发生页面置换，输出淘汰的页号。
二需求分析，整体功能及设计数据结构或模块说明1 需求分析在纯页式存储管理提高了内存的利用效率，但并不为用户提供虚存，换句话说，当一个用户程序的页数大于当前总空闲内存块数时，系统就不能将该程序装入运行。
缺页中断算法实验报告
一、实验目的1. 理解缺页中断的概念及其在操作系统中的作用。
2. 掌握常见的页面置换算法，如先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）等。
3. 通过模拟实验，验证不同页面置换算法对缺页中断次数的影响。
4. 深入了解页式虚拟存储管理中地址转换的过程。
二、实验环境1. 操作系统：Windows 102. 编程语言：C/C++3. 实验工具：Visual Studio三、实验内容1. 模拟缺页中断的产生2. 实现不同的页面置换算法3. 分析页面置换算法对缺页中断次数的影响4. 模拟地址转换过程四、实验步骤1. 模拟缺页中断的产生（1）定义一个模拟指令序列，包含多个页面号。
（2）创建一个模拟的页表，用于记录每个页面是否在内存中。
（3）根据指令序列，遍历页表，判断访问的页面是否在内存中。
（4）如果页面不在内存中，则产生缺页中断。
2. 实现不同的页面置换算法（1）先进先出（FIFO）算法：- 定义一个队列，用于存储内存中的页面号。
- 当发生缺页中断时，将新页面号入队，同时判断队列长度是否超过内存块数。
- 如果队列长度超过内存块数，则将队首元素出队，模拟页面置换过程。
（2）最近最少使用（LRU）算法：- 定义一个链表，用于存储内存中的页面号。
- 当发生缺页中断时，将新页面号插入链表尾部。
- 如果链表长度超过内存块数，则从链表头部删除元素，模拟页面置换过程。
3. 分析页面置换算法对缺页中断次数的影响（1）定义一个变量，用于记录缺页中断次数。
（2）遍历模拟指令序列，根据不同的页面置换算法处理缺页中断。
（3）统计不同算法下的缺页中断次数，并进行比较。
4. 模拟地址转换过程（1）根据指令中的逻辑地址，计算页号和偏移量。
（2）根据页号，查找页表，判断页面是否在内存中。
（3）如果页面在内存中，则根据偏移量计算物理地址。
（4）如果页面不在内存中，则产生缺页中断。
五、实验结果与分析1. 模拟缺页中断的产生通过模拟指令序列，成功产生了缺页中断。
操作系统(谌卫军 王浩娟)课后习题课后选择填空
第一章选择题1.操作系统是(资源的分配者、硬件与应用程序之间的接口、系统服务的提供者)2.操作系统提供给应用程序的接口是(系统调用)3.在设计批处理多道系统时，首先要考虑的是(系统销量和吞吐量)4.操作系统中采用多道程序设计技术来提高CPU和外部设备的(利用率)5.CPU状态分为目态和管态两种，从目态转换到管态的唯一途径是(中断)6.在单处理机系统中，可并行的是(处理机与设备，处理机与DMA，设备与设备)7.分时操作系统允许在一台主机上连接多台终端，多个用户可以通过各自的终端同时交互地使用计算机8.下列选项中，能引起外部中断的事件是(键盘输入)9.处理器执行的指令被分为两类，其中一类称为特权指令，它只允许(操作系统)使用10.计算机系统中判别是否有中断事件发生应是在(执行完一条指令后)填空题1.列举两个你所知道的操作系统名称:(实时操作系统和嵌入式操作系统)2.CPU的工作状态可以分为两种:(管态和目态)3.CPU通过哪一个寄存器来设定它的工作状态?(程序状态字)4.用户进程从目态转换为管态的唯一途径是(中断)5.中断可以分为两类，即同步中断和异步中断。
如果一个用户程序中，出现了算术溢出或除零的错误，那么此时产生的中断属于(同步中断)6.用户程序通过(访问或陷阱指令)来请求操作系统为其提供某种功能的服务，如I/O操作。
7.从资源管理的角度来看，操作系统的主要功能可以分为4个模块: 进程管理、存储管理、(I/O管理、文件管理)8.实时操作系统的两个基本特征是: (实时性和可靠性)第二章选择题1.下列对进程的描述中，错误的是(进程是指令的集合)2.当一个进程被唤醒时，这意味着(该进程变为就绪状态)3.在进程管理中，当(时间片用完时)，进程从阻塞状态变为就绪状态4.下列的进程状态变化中，(就绪->阻塞)变化是不可能发送的5.通常，用户进程被建立后，(随着时间片轮转而撤销与建立)6.进程控制块中包含多种信息，以下信息中不属于进程控制块中内容是(页面大小)7.下列内容不是存放在线程控制块TCB当中的是(页表指针)8.在多进程的系统中，为了保证公共变量的完整性，各进程应互斥进入临界区，所谓临界区是指(一段程序)9.用P、V来管理临界区时，信号量的初值应定义为(1)10.若P、V操作的信号量S初值为1，当前值为-2，则表示等待信号量S的进程个数为(2个)11.设与某资源相关联的信号量初值为3，当前值为1，若M表示该资源的可用个数，N表示等待该资源的进程个数，则M、N分别为(1、0)12.用V操作唤醒一个等待进程时，被唤醒进程的状态变为(就绪)13.对于两个并发进程，设互斥信号量为mutex，若mutex=0，则(表示有一个进程进入临界区)14.下列叙述中正确的是(进程同步是指某些进程之间在逻辑上的相互制约关系)15.在进程调度算法中，(先来先服务算法)属于不可抢占的调度方式16.在下列调度算法中，不会出现"饥饿"(sttarvation)情况的是(时间片轮转算法)17.支持多道程序设计的操作系统在运行过程中，为了实现CPU的共享，会不断地选择新进程来运行。
页式虚拟存储管理缺页中断的模拟系统的设计
燕山大学课程设计说明书课程设计名称：操作系统OS题目：页式存储管理中页面置换（淘汰）的模拟程序班级：计算机应用二班开发小组名称：CAMPUS课题负责人：课题组成员：姓名学号班级自评成绩课题开发日期：2011-1-10至2011-1-14一．概述1目的通过分析、设计和实现页式虚拟存储管理缺页中断的模拟系统，熟悉和掌握请求分页式存储管理的实现过程，重点掌握当请求页面不在内存而内存块已经全部被占用时的替换算法，熟悉常见替换算法的原理和实现过程，并利用替换算法的评价指标——缺页次数和缺页率，来对各种替换算法进行评价比较。
2.主要完成的任务自行输入实际页数、内存可用页面数、存取内存时间、存取快表时间及缺页中断时间，然后由用户随机输入各页面号，模拟系统自动运行出FIFO、LRU、OPT、LFU四种算法的缺页次数、缺页率、命中率、总存取时间、存取平均时间等结果。
3 使用的开发工具（1）使用系统：Windows7（2）使用语言：C++（3）开发工具：Visual C++ 6.04 解决的主要问题设计的结果程序能实现FIFO、OPT、LRU、LFU算法模拟页式存储管理缺页中断，主要能够处理以下的问题：(1) 用户能够输入给作业分配的内存块数；(2) 用户能够输入给定的页面，并计算发生缺页的次数以及缺页率；(3) 程序可由用户输入页面序列；(4)系统自动计算总存取时间及平均存取时间。
二使用的基本概念和原理1.概念FIFO即先进先出页面置换算法，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。
LRU 即最近最久未使用页面置换算法，该算法选择最近最久未使用的页面予以淘汰。
OPT 即最佳值换算法，其选择淘汰的页面是在最长时间内不再被访问的页面。
LFU 即最近使用最少页面置换算法，其淘汰的页面是最近一段时间内使用最少的页面。
缺页中断存取页面时页面不在内存中需从外存调入的现象。
缺页次数即在存取页面过程中发生缺页中断的次数。
简述缺页中断处理过程
简述缺页中断处理过程摘要：一、缺页中断的定义与作用二、缺页中断的处理过程1.页表查找2.缺页中断向量表查找3.页框号查找4.页面分配5.页面置换6.更新页表和缺页中断向量表三、缺页中断处理的意义正文：计算机系统中，内存分为系统区与用户区。
系统区主要包括操作系统、系统调用等，用户区则是为用户程序分配的内存空间。
在实际运行过程中，程序往往需要访问内存中尚未分配的页面，这时就会发生缺页中断。
缺页中断处理过程是操作系统中至关重要的一环，它保证了系统能够高效、安全地管理内存资源。
缺页中断的处理过程可以分为以下几个步骤：1.页表查找：当程序需要访问一个内存页面时，首先会在页表中查找该页面的信息。
页表是操作系统用来记录物理内存页框与虚拟内存页面对应关系的数据结构。
如果页表中不存在该页面的信息，说明该页面尚未分配，这时就会产生缺页中断。
2.缺页中断向量表查找：当发生缺页中断后，处理器会查找缺页中断向量表以确定缺页中断的处理函数。
缺页中断向量表中存放着处理缺页中断的函数地址，处理器根据该地址调用相应的处理函数。
3.页框号查找：缺页中断处理函数根据页表中的页面对应关系，在内存中查找对应的物理页框号。
物理页框号是内存中一个连续的内存区域，用于存储程序需要的数据或指令。
4.页面分配：找到物理页框号后，缺页中断处理函数会为程序分配一个页面。
分配方式包括从空闲页面池中取出一个空闲页面、将一个已分配的页面从内存中移除并将其放入空闲页面池等。
5.页面置换：在分配页面后，程序需要将新分配的页面写入内存。
这时，可能会遇到内存中的页面已满，需要进行页面置换。
页面置换算法有多种，如最近最少使用（LRU）算法、时钟算法等，它们的主要目的是将长时间未使用的页面置换出去，为新分配的页面腾出空间。
6.更新页表和缺页中断向量表：页面分配和置换完成后，缺页中断处理函数需要更新页表和缺页中断向量表。
更新完成后，程序可以继续执行。
总之，缺页中断处理过程是操作系统在内存管理方面的重要机制。
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
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。
缺页中断处理的一般步骤
缺页中断处理的一般步骤缺页中断是指在虚拟存储管理中，当程序访问的页面不在内存中时，会发生缺页中断，操作系统需要进行相应的处理。
下面是一般的缺页中断处理步骤：1.中断处理程序的保存和恢复当发生缺页中断时，处理器会自动保存当前的执行现场到内核堆栈中，并根据中断号跳转到对应的中断处理程序。
在开始处理缺页中断之前，中断处理程序需要保存当前进程的上下文，包括程序计数器、寄存器、程序状态字等。
保存的执行现场需要在处理完缺页中断后恢复给中断发生时的进程。
2.判断缺页类型在中断处理程序中，首先需要判断缺页类型。
常见的缺页类型包括无效引用、只读引用和写引用。
无效引用表示程序引用了一个无效的地址，通常会导致进程终止；只读引用表示程序引用的页面在内存中存在，但是权限不允许写入；写引用表示程序引用的页面在内存中不存在，需要进行页面调入。
3.选择牺牲页面当发生缺页中断时，由于物理内存空间有限，需要选择一个页面进行替换。
常见的页面替换算法有最近未使用（LRU）算法、先进先出（FIFO）算法、最不经常使用（LFU）算法等。
根据选择的算法，操作系统会找到最合适的牺牲页面。
4.页面调入根据之前选择的牺牲页面，操作系统需要将缺失的页面从辅存（例如磁盘）中调入到物理内存中。
如果缺页中断发生的页面已经被修改，则还需要将修改后的页面写回到辅存中。
5.更新页表在将页面调入物理内存后，操作系统需要更新页表，将页面与虚拟地址进行映射。
页表中会记录页面的物理地址、权限等信息。
更新页表可以通过修改控制寄存器的值，将缺页中断发生时的虚拟地址重新映射到新调入的页面。
6.恢复中断现场在完成页面调入和页表更新后，需要将之前保存的中断现场恢复给中断发生时的进程。
恢复的现场包括程序计数器、寄存器、程序状态字等。
恢复完成后，将中断处理程序的执行权交还给中断发生时的进程，继续执行。
以上是一般的缺页中断处理步骤。
需要注意的是，在实际的操作系统中，可能会有一些优化措施，例如预取页面、页面换入换出算法的优化等，以提高缺页中断处理的效率和性能。
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。
《计算机操作系统》考试题库(名词解释+简答)
名词解释操作系统:是配置在计算机硬件上的第一次软件，是对硬件系统的首次扩充。
并行与并发：并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。
并发性是指两个或多个事件在同一事件间隔内发生。
程序的顺序执行：单道系统中，程序是顺序执行的，即程序在执行时，必须按照某种先后次序进行，仅当前一操作执行完后，才能执行其后续操作。
因此在某一时刻，系统的各个部分中只有一部分在工作。
程序的并发执行：在第一个程序输入后；对第一个程序计算；同时对第二个程序输入；从而使第一个程序的计算操作与第二个程序的输入操作并发执行。
进程与线程：进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运动活动。
线程是比进程更小的能独立运行基本单位。
线程能比进程更好地提高程序的并发执行程度，充分发挥多处理机的优越性。
管程：代表共享资源的数据结构以及由对该共享数据结构实施操作的一组过程所组成的资源管理程序共同构成了一个操作系统的资源管理模块，我们称之为管程。
信号量：信号量也叫信号灯，一般是由两成员组成的数据结构，是一个确定的二元组。
原语：就是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一定过程。
临界资源与临界区：临界资源是系统中某些资源一次只能被一个进程使用。
每个进程中访问临界资源的那段代码成为临界区。
静态优先级与动态优先级：在创建进程的时候，且在进程的运行期间保持不变称为静态优先级。
动态优先级是指在在创建进程之处，先赋予其一个优先级，然后其值随进程的推进或等待时间增加而改变，以便获得更好的调度性能。
作业：用户在一次计算过程中或者一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的总称。
作业控制块：为了管理个调度作业，在多道批处理系统中，为每个作业设置了一个作业控制块JCB，它是作业系统中存在的标志。
其中保存了系统对作业进行管理和调度所需的全部信息。
快表/页表/段表：块表：为了提高地址变换速度，可在地址变换机构中增设一个具有并行查寻能力的特殊高速缓冲寄存器，称为快表。
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）。
缺页中断的解决方法
缺页中断的解决方法
缺页中断是指在访问虚拟内存时，需要的页面不在物理内存中，需要操作系统从磁盘中读取，导致CPU的执行被中断的现象。
为了解决缺页中断问题，操作系统采用了以下几种方法：
1. 页面置换算法
操作系统采用页面置换算法，将不常用的页面从物理内存中换出到磁盘中，为新的页面腾出空间。
最常用的页面置换算法是LRU算法，即最久未使用算法。
2. 预读技术
为了避免缺页中断的发生，操作系统采用预读技术，提前将可能使用的页面读入物理内存中，减少缺页中断的发生。
3. 延迟写技术
在写入内存时，采用延迟写技术，将数据先存放在缓存区中，等到缓存区满或者需要读取数据时再写入物理内存中，减少了磁盘IO
的次数。
4. 大页技术
大页技术是指将物理内存划分为更大的页，减少了页面表的数量，从而提高了访问速度，并且减少了缺页中断的发生。
通过以上方法，操作系统可以有效地解决缺页中断问题，提高系统的性能和稳定性。
- 1 -。
页式虚拟存储器管理中地址转换和缺页中断
实验题目：页式虚拟存储器管理中地址转换和缺页中断一、实验目的1、深入了解页式存储管理如何实现地址转换；2、进一步认识页式虚拟存储管理中如何实现缺页中断。
二、实验预备知识1、页式存储管理中地址转换的方法；2、页式虚拟存储的缺页中断处理方法。
三、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做工作进行测试。
假定内存64KB，每个内存块1K（1024字节），作业最大支持到64KB，系统中每个作业分得内存块4块。
[提示]1、页式存储管理中地址转换过程：假设内存块的大小为2n字节，内存大小为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，实验中使用软件模拟地址的转换过程，模拟地址转换的流程如下：2、缺页处理过程（1）根据当前执行指令中逻辑地址的页号查页表，判断该页是否在主存储器中，若该页标志为“0”，形成缺页中断。
中断装置通过交换PSW让操作系统的中断处理程序占用处理机；（2）操作系统处理缺页中断的方法就是查内存分配表，找一个空闲内存块；若无空闲块，查找表，选择一个已在内存的页面，把它暂时调出内存。
若在执行过程中该页被修改过，则需将该页信息写回磁盘，否则不必写回；（3）找出该页的磁盘位置，启动磁盘读出该页信息，把磁盘上读出的信息装入到第2步找到内存块，修改页表中该页的标志为“1”；（4）由于产生缺页中断的那条指令没有执行完，所以页面装入后应重新执行被中断的指令。
当重新执行该指令时，由于要访问的页面已在内存中，所以可正常执行。
2程序代码ia#include#define n64//页表的最大长度#define length4//系统为每个作业分配的主存块数struct{int lnumber;//页号int flag;//表示页是否在主存中，“1”表示在，“0”表示不在int pnumber;//该页所在主存块的块号int write;//该页是否被修改过，“1”表示修改过，“0“表示没有修改过int dnumber;//该页存放在磁盘上的位置，即磁盘块号}page[n];//页表定义int m;int page_length;//页表的实际长度int p[length];//用向量模拟主存int head;void page_interrupt(int);//缺页中断处理函数void command(unsigned,int);//命令处理函数void main(){int lnumber,pnumber,write,dnumber;unsigned laddress;int i;cout<<"输入页表的信息，创建页表（页号从0开始，若页号为－1，则结束输入）";cout<<"请输入页号和辅存地址：";cin>>lnumber>>dnumber;cin.ignore();i=0;while(lnumber!=-1){page[i].lnumber=lnumber;page[i].flag=0;page[i].write=0;page[i].dnumber=dnumber;i++;cout<<"请输入页号和辅存地址:";cin>>lnumber>>dnumber;}//预先将输入的页调入主存块中page_length=i;cout<<"输入主存块号(输入少于或者等于"<<i<<"个数据，若块号数为－1，则结束输入):";cin>>pnumber;cin.ignore();m=0;head=0;while(m<LENGTH&&PNUMBER!=-1){if(m<I){3page[m].pnumber=pnumber;page[m].flag=1;//调入主存后，标志为置1p[m]=m;//记录主存中的页号m++;}cout<<"输入主存块号（输入少于或者等于"<<i<<"个数据，若块号数为－1，则结束输入）:";cin>>pnumber;cin.ignore();}//whilecout<<"输入指令性质（1－修改，0－不需要，其他－结束程序运行）和逻辑地址"<<"逻辑地址最大能支持2的16次方－1＝65535。
虚拟存储管理中几种缺页中断算法（最佳置换法OPT）
虚拟存储管理中⼏种缺页中断算法（最佳置换法OPT）
缺页中断就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。
在进⾏内存访问时，若所访问的页已在主存，则称此次访问成功；
若所访问的页不在主存，则称此次访问失败，并产⽣缺页中断。
最佳置换法：
例如：假定系统为某进程分配了3个物理块，进程访问的页⾯的顺序为0,7,6,5,7,4,7,3,5,4,7,4,5,6,5,7,6,0,7,6.求在访问过程中缺页中断？
解答：进程运⾏时先将0,7,6三个页⾯装⼊内存，当访问到第5时，产⽣页⾯中断，根据最佳置换法，（将未来最长时间内不再访问的页⾯置换出去），页⾯0将在18次才被访问到，所以它是这三页中最久不被访问到的页⾯，所以被淘汰置换出来，将5换进去。
接着访问第7页，因为第7页是在内存中，所以不会产⽣缺页中断，以此类推……
采⽤最佳置换算法，产⽣了9次缺页中断，发⽣了6次页⾯置换。
虚拟存储管理中缺页中断次数的计算方法
虚拟存储管理中缺页中断次数的计算方法
胡章平
【期刊名称】《《电脑知识与技术》》
【年(卷),期】2009(005)002
【摘要】在对内存进行虚拟管理时,页面置换算法的好坏直接影响着系统的性能,而反映置换算法性能的一个重要参数是缺页中断率。
该文从虚拟存储管理技术出发,分析了中断次数计算结果的问题,讨论了几种不同的计算缺页中断次数的方法,并对其性能进行分析,结果表明用系统性能模型来计算中断次数方法简单、易于掌握且不易出错。
【总页数】3页(P272-273,279)
【作者】胡章平
【作者单位】重庆文理学院计算机学院重庆 402160
【正文语种】中文
【中图分类】TP333
【相关文献】
1.试析虚拟存储在电子文件管理中的应用 [J], 吴江华
2.虚拟存储管理中的页面置换算法研究 [J], 殷联甫
3.存储器管理中的虚拟存储技术 [J], 郦军
4.请求式分页系统缺页中断次数计算结果的分析 [J], 秦沿海
5.公路交通标准轴载作用次数ESAL的实用计算方法 [J], 施磊
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覆盖技术的不足
Turbo Pascal的Overlay系统单元 支持程序员控制的覆盖技术
■ 增加编程困难
需程序员划分功能模块， 并确定模块间的覆盖关系
增加了编程的复杂度；
■ 增加执行时间
从外存装入覆盖模块 时间换空间
交换技术
■ 目标 增加正在运行或需要运行的程序的内存
■ 实现方法 可将暂时不能运行的程序放到外存 换入换出的基本单位
虚拟存储的基本概念
■思路
将不常用的部分内存块暂存到外存
0 a0,0
a0,1
a0,2 …………………….. a0,1023
1
a1,0
a1,1
a1,2 …………………….. a1,1023
…………………………….
…………………………….
a1023,0 a1023,1 ……………………....…......... a1023,1023
1023
访问页面的序列为：
覆盖（overlay） 应用程序手动把需要的指令和数据保存在内存中 交换（s） 操作系统自动把暂时不能执行的程序保存到外存中 虚拟存储 在有限容量的内存中，以页为单位自动装入更多更大的程序
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
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
整个进程的地址空间
换出（s）
把一个进程的整个地址空间保存到外存
换入（s）
将外存中某进程的地址空间读入到内存
交换技术
操作系统内核
进程p1
① 换入 ② 换出
进程p2
用户地址空间 内存
外存
（本图摘自Silberschatz, Galvin and Gagne： “Operating System Concepts”）
由操作系统自动完成，无需程序员的干涉
■ 实现进程在内存与外存之间的交换，从而获得更多 的空闲内存空间
在内存和外存之间只交换进程的部分内容
局部性原理（principle of locality）
■ 程序在执行过程中的一个较短时期，所执行的指令 地址和指令的操作数地址，分别局限于一定区域
时间局部性
一条指令的一次执行和下次执行，一个数据的一次访问和下次 访问都集中在一个较短时期内
空间局部性
当前指令和邻近的几条指令，当前访问的数据和邻近的几个数 据都集中在一个较小区域内
分支局部性
一条跳转指令的两次执行，很可能跳到相同的内存位置
■ 局部性原理的意义
从理论上来说，虚拟存储技术是能够实现的，而且可 取得满意的效果
不同程序编写方法的局部性特征
例子：页面大小为4K，分配给每个进程的物理页 面数为1。在一个进程中，定义了如下的二维数组 int A[1024][1024]，该数组按行存放在内存， 每一行放在一个页面中
覆盖技术
■ 目标 在较小的可用内存中运行较大的程序
■ 方法 依据程序逻辑结构，将程序划分为若干功能相对独立 的模块；将不会同时执行的模块共享同一块内存区域
必要部分（常用功能）的代码和数据常驻内存 可选部分（不常用功能）放在其他程序模块中,只在需要 用到时装入内存 不存在调用关系的模块可相互覆盖，共用同一块内存区域
解法1： 0，1，2，………1023，0，1，………，共1024组
共发生了1024×1024次缺页中断
解法2： 0，0，……… 1，1，………，2，2，………，3，3，…….
共发生了1024次缺页中断
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
交换技术面临的问题
■ 交换时机：何时需要发生交换？
只当内存空间不够或有不够的可能时换出
■ 交换区大小
存放所有用户进程的所有内存映像的拷贝
■ 程序换入时的重定位：换出后再换入时要放 在原处吗？
采用动态地址映射的方法
覆盖与交换的比较
■ 覆盖
只能发生在没有调用关系的模块间 程序员须给出模块间的逻辑覆盖结构 发生在运行程序的内部模块间
Southwest University of Science and Technology
第11讲 虚拟存储：缺页中断
授课教师：马立平 联系方式：
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
增长迅速的存储需求 电脑游戏
■ 交换
以进程为单位 不需要模块间的逻辑覆盖结构 发生在内存进程间
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
虚拟存储技术的目标
P1 P2 P3 P4
内核
MMU
物理内存 +磁盘= 虚拟存储
■ 只把部分程序放到内存中，从而运行比物理内存大 的程序
覆盖技术示例
程序调用结构：190K
内存总共：110K
A 20K
B
C
5பைடு நூலகம்K
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）
程序编写方法1： for (j = 0; j < 1024; j++) for (i = 0; i < 1024; i++)
A[i][j] = 0;
程序编写方法2： for (i=0; i<1024; i++) for (j=0; j<1024; j++)
A[i][j] = 0;
不同程序编写方法的局部性特征
一代 二代 三代 四代 五代 六代 七代 八代 437K 883K 1.9M 6M 6.3M 59M 100M 138M
程序规模的增长速度远远大于存储器容量的增长速度
存储层次结构
■ 理想中的存储器 容量更大、速度更快、价格更便宜的非易失性存储器
■ 实际中的存储器 存储器层次结构
访问时间
1 纳秒 2 纳秒 10 纳秒 10 毫秒