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第4章 教材習題解答1 基本概念和術語邏輯地址、物理地址、邏輯地址空間、內存空間、重定位、靜態(tài)重定位、動態(tài)重定位、碎片、碎片緊縮、虛擬存儲器、快表、頁面抖動用戶程序經(jīng)編譯之后的每個目標模塊都以0為基地址順序編址，這種地址稱為相對地址或邏輯地址。內存中各物理存儲單元的地址是從統(tǒng)一的基地址開始順序編址的，這種地址稱為絕對地址或物理地址。由程序中邏輯地址組成的地址范圍叫做邏輯地址空間，或簡稱為地址空間。由內存中一系列存儲單元所限定的地址范圍稱作內存空間，也稱物理空間或絕對空間。程序和數(shù)據(jù)裝入內存時，需對目標程序中的地址進行修改。這種把邏輯地址轉變?yōu)閮却嫖锢淼刂返倪^程稱作重定位。靜態(tài)重定位是在目標程序裝入內存時，由裝入程序對目標程序中的指令和數(shù)據(jù)的地址進行修改，即把程序的邏輯地址都改成實際的內存地址。動態(tài)重定位是在程序執(zhí)行期間，每次訪問內存之前進行重定位。這種變換是靠硬件地址轉換機構實現(xiàn)的。內存中這種容量太小、無法被利用的小分區(qū)稱作“碎片”或“零頭”。為解決碎片問題，移動某些已分配區(qū)的內容，使所有進程的分區(qū)緊挨在一起，而把空閑區(qū)留在另一端。這種技術稱為緊縮（或叫拼湊）。虛擬存儲器是用戶能作為可編址內存對待的虛擬存儲空間，它使用戶邏輯存儲器與物理存儲器分離，是操作系統(tǒng)給用戶提供的一個比真實內存空間大得多的地址空間。為了解決在內存中放置頁表帶來存取速度下降的矛盾，可以使用專用的、高速小容量的聯(lián)想存儲器，也稱作快表。若采用的置換算法不合適，可能出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：剛被換出的頁，很快又被訪問，為把它調入而換出另一頁，之后又訪問剛被換出的頁，如此頻繁地更換頁面，以致系統(tǒng)的大部分時間花費在頁面的調度和傳輸上。此時，系統(tǒng)好像很忙，但實際效率卻很低。這種現(xiàn)象稱為“抖動”。2 基本原理和技術（1） 存儲器一般分為哪些層次？各有何特性？存儲器一般分為寄存器、高速緩存、內存、磁盤和磁帶。CPU內部寄存器，其速度與CPU一樣快，但它的成本高，容量小。高速緩存（Cache），它們大多由硬件控制。Cache的速度很快，它們放在CPU內部或非常靠近CPU的地方。但Cache的成本很高，容量較小。內存（或稱主存），它是存儲器系統(tǒng)的主力，也稱作RAM（隨機存取存儲器）。CPU可以直接存取內存及寄存器和Cache中的信息。然而，內存中存放的信息是易變的，當機器電源被關閉后，內存中的信息就全部丟失了。磁盤（即硬盤），稱做輔助存儲器（簡稱輔存或外存），它是對內存的擴展，但是CPU不能直接存取磁盤上的數(shù)據(jù)。磁盤上可以永久保留數(shù)據(jù)，而且容量特別大。磁盤上數(shù)據(jù)的存取速度低于內存存取速度。磁帶保存的數(shù)據(jù)更持久，容量更大，但它的存取速度很慢，而且不適宜進行隨機存取。所以，磁帶設備一般不能用做輔存。它的主要用途是作為文件系統(tǒng)的后備，存放不常用的信息或用做系統(tǒng)間傳送信息的介質。 （2） 裝入程序的功能是什么？常用的裝入方式有哪幾種？裝入程序的功能是根據(jù)內存的使用情況和分配策略，將裝入模塊放入分配到的內存區(qū)中。程序裝入內存的方式有三種，分別是絕對裝入方式、可重定位裝入方式和動態(tài)運行時裝入方式。 （3） 對程序進行重定位的方式分為哪兩種？簡述各自的實現(xiàn)方式。對程序進行重定位的方式分為靜態(tài)重定位和動態(tài)重定位。靜態(tài)重定位是在目標程序裝入內存時，由裝入程序對目標程序中的指令和數(shù)據(jù)的地址進行修改，即把程序的邏輯地址都改成實際的內存地址。對每個程序來說，這種地址變換只是在裝入時一次完成，在程序運行期間不再進行重定位。動態(tài)重定位是在程序執(zhí)行期間，每次訪問內存之前進行重定位。這種變換是靠硬件地址轉換機構實現(xiàn)的。通常，采用一個重定位寄存器，其中放有當前正在執(zhí)行的程序在內存空間中的起始地址，而地址空間中的代碼在裝入過程中不發(fā)生變化。 （4） 對換技術如何解決內存不足的問題？在多道程序環(huán)境中可以采用對換技術。此時，內存中保留多個進程。當內存空間不足以容納要求進入內存的進程時，系統(tǒng)就把內存中暫時不能運行的進程（包括程序和數(shù)據(jù)）換出到外存上，騰出內存空間，把具備運行條件的進程從外存換到內存中。 （5） 解釋固定分區(qū)法和動態(tài)分區(qū)法的基本原理。固定分區(qū)法內存中分區(qū)的個數(shù)固定不變，各個分區(qū)的大小也固定不變，但不同分區(qū)的大小可以不同。每個分區(qū)只可裝入一道作業(yè)。動態(tài)分區(qū)法各個分區(qū)是在相應作業(yè)要進入內存時才建立的，使其大小恰好適應作業(yè)的大小。 （6） 動態(tài)重定位分區(qū)管理方式中如何實現(xiàn)虛-實地址映射？進程裝入內存時，是將該其程序和數(shù)據(jù)原封不動地裝入到內存中。當調度該進程在CPU上執(zhí)行時，操作系統(tǒng)就自動將該進程在內存的起始地址裝入基址寄存器，將進程的大小裝入限長寄存器。當執(zhí)行指令時，如果地址合法，則將相對地址與基址寄存器中的地址相加，所得結果就是真正訪問內存的地址；如果地址越界，則發(fā)出相應中斷，進行處理。 （7） 分頁存儲管理的基本方法是什么？ 分頁存儲管理的基本方法是：邏輯空間分頁，內存空間分塊，塊與頁的大小相等。頁連續(xù)而塊離散，用頁號查頁表，由硬件作轉換。 （8） 在分頁系統(tǒng)中頁面大小由誰決定？頁表的作用是什么？如何將邏輯地址轉換成物理地址？在分頁系統(tǒng)中頁面大小由硬件決定。頁表的作用是實現(xiàn)從頁號到物理塊號的地址映射。 邏輯地址轉換成物理地址的過程是：用頁號p去檢索頁表，從頁表中得到該頁的物理塊號f，把它裝入物理地址寄存器中。同時，將頁內地址d直接送入物理地址寄存器的塊內地址字段中。這樣，物理地址寄存器中的內容就是由二者拼接成的實際訪問內存的地址，從而完成了從邏輯地址到物理地址的轉換。 （9） 虛擬存儲器有哪些基本特征？虛擬存儲器的基本特征是：虛擬擴充不是物理上，而是邏輯上擴充了內存容量；部分裝入每個進程不是全部一次性地裝入內存，而是只裝入一部分；離散分配不必占用連續(xù)的內存空間，而是“見縫插針”；多次對換所需的全部程序和數(shù)據(jù)要分成多次調入內存。 （10） 頁面抖動與什么有關？好的頁面置換算法能夠適當降低頁面更換頻率，減少缺頁率，盡量避免系統(tǒng)“抖動”。此外，一般來說，隨著可用內存塊數(shù)的增加，缺頁數(shù)也將減少。3 思考題 （1） 為了提高內存的利用率，在可重定位分區(qū)分配方式中可通過什么技術來減少內存碎片？ 在可重定位分區(qū)分配方式中采用緊縮技術來減少內存碎片。 （2） 請求分頁技術與簡單分頁技術之間的根本區(qū)別是什么？請求分頁技術與簡單分頁技術之間的根本區(qū)別是：請求分頁提供虛擬存儲器，而簡單分頁系統(tǒng)并未提供虛擬存儲器。 （3） 某虛擬存儲器的用戶編程空間共32個頁面，每頁為1KB，內存為16KB。假定某時刻一用戶頁表中已調入內存的頁面的頁號和物理塊號的對照表如下：頁號物理塊號051102437計算邏輯地址0A5C(H)所對應的物理地址。解：頁式存儲管理的邏輯地址分為兩部分：頁號和頁內地址。由已知條件“用戶編程空間共32個頁面”，可知頁號部分占5位；由“每頁為1KB”，1K=210，可知內頁地址占10位。由“內存為16KB”，可知有16塊，塊號為4位。邏輯地址0A5C（H）所對應的二進制表示形式是：000 1010 0101 1100 ，根據(jù)上面的分析，下劃線部分為頁內地址，編碼“000 10”為頁號，表示該邏輯地址對應的頁號為2。查頁表，得到物理塊號是4（十進制），即物理塊地址為：01 00 ，拼接塊內地址10 0101 1100，得01 0010 0101 1100，即125C（H）。 （4） 考慮下述頁面走向： 1，2，3，4，2，1，5，6，2，1，2，3，7，6，3，2，1，2，3，6當內存塊數(shù)量分別為3，5時，試問LRU、FIFO、OPT這三種置換算法的缺頁次數(shù)各是多少？（注意，所有內存塊最初都是空的，所以，凡第一次用到的頁面都產(chǎn)生一次缺頁。）內存塊數(shù)淘 汰 算 法LRUFIFOOPT315161158107 （5） 考慮下面存儲訪問序列，該程序大小為460字： 10，11，104，170，73，309，185，245，246，434，458，364設頁面大小是100字，請給出該訪問序列的頁面走向。又設該程序基本可用內存是200字，采用FIFO置換算法，求出其缺頁率。如果采用LRU置換算法，缺頁率是多少？如果采用最優(yōu)淘汰算法，其缺頁率又是多少？（注：缺頁率缺頁次數(shù)/訪問頁面總數(shù)）解：根據(jù)已知條件頁面大小是100字，將頁面訪問序列簡化為：0，0，1，1，0，3，1，2，2，4，4，3又因為該程序基本可用內存是200字，可知內存塊數(shù)為2。采用先進先出置換算法（FIFO），總共有6次缺頁，缺頁率為6/12=50%，具體算法如下：頁面走向001103122443塊1003