操作系统原理最全课后答案汤小丹(5)

4）更新该页的描述信息；

5）根据页块号和页内偏移w，计算物理地址。

9、何谓固定分配局部置换和可变分配全局置换的内存分配策略？

(1) 固定分配局部置换：为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变；如果在进程运行的过程中发生缺页，则只能从分配给该进程的n个页面中选出一页换出，然后调入新的一页。

(2) 可变分配全局置换：先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间块数目可以适当增加或减少；如果在进程运行的过程中发生缺页，则从OS所保留的空闲物理块中取出一块，分配给该进程，或者在所有进程的全部物理块中，按算法选出应换出的页面，将其换出，空出一块来，调入新的一页。 10.在请求分页系统中，应从何处将所需页面调入内存？ 答：请求分页系统中的缺页从何处调入内存分三种情况：

（1）系统拥有足够对换区空间时，可以全部从对换区调入所需页面，提高调页速度。在进程运行前将与该进程有关的文件从文件区拷贝到对换区。

（2）系统缺少足够对换区空间时，不被修改的文件直接从文件区调入；当换出这些页面时，未被修改的不必换出，再调入时，仍从文件区直接调入。对于可能修改的，在换出时便调到对换区，以后需要时再从对换区调入。

（3）UNIX 方式。未运行页面从文件区调入。曾经运行过但被换出页面，下次从对换区调入。UNIX 系统允许页面共享，某进程请求的页面有可能已调入内存，直接使用不再调入。

11.试说明在请求分页系统中页面的调入过程。

答：每当程序所要访问的页面未在内存时，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页中断处理程序。该程序通过查找页表，得到该页在外存的物理块后，如果此时内存能容纳新页，则启动磁盘I/O 将所缺之页调入内存，然后修改页表。如果内存已满，则须先按照某种置换算法从内存中选出一页准备换出；如果该页未被修改过，可不必将该页写回磁盘；但如果此页已被修改，则必须将它写回磁盘，然后再把所缺的页调入内存，并修改页表中的相应表项，置其存在位为“1” ，并将此页表项写入快表中。在缺页调入内存后，利用修改后的页表，去形成所要访问数据的物理地址，再去访问内存数据。整个页面的调入过程对用户是透明的。

12.在请求分页系统中，常采用哪几种页面置换算法？

答：采用的页面置换算法有：最佳置换算法和先进先出置换算法，最近最久未使用（LRU）置换算法，Clock置换算法，最少使用置换算法，页面缓冲算法等。

13.在一个请求分页系统中，采用FIFO页面置换算法时，假如一个作业的页面 走向为4、3、2、1、4、3、5、4、3、2、1、5，当分配给该作业的物理块数M分别为3和4时，试计算在访问过程中所发生的缺页次数和缺页率，并比较所得结果。 答：M=3时，采用FIFO页面置换算法的缺页次数为9次，缺页率为75%； M=4时，采用FIFO页面置换算法的缺页次数为10次，缺页率为83%。

由此可见，增加分配给作业的内存块数，反而增加了缺页次数，提高了缺页率，这种现象被称为是Belady现象。

14.实现LRU算法所需的硬件支持是什么? 答：需要寄存器和栈等硬件支持。寄存器用于记录某进程在内存中各页的使用情况，栈用于保存当前使用的各个页面的页面号。 15.试说明改进型 Clock 置换算法的基本原理.

答：因为修改过的页面在换出时付出的开销比未被修改过的页面大，在改进型Clock 算法中，既考虑页面的使用情况，还要增加置换代价的因素；在选择页面作为淘汰页面时，把同时满足未使用过和未被修改作为首选淘汰页面。 16. 影响页面换进换出效率的若干因素是什么？

答：1) 页面置换算法。 (2) 写回磁盘的频率。 (3) 读入内存的频率。

17. 页面缓冲算法的主要特点是什么？它是如何降低页面换进换出的频率的? 答：（1）页面缓冲算法的特点

①显著地降低了页面换进、换出的频率，使磁盘I/O的操作次数大为减少，因而减少了页面换进、换出的开销；

②正是由于换入换出的开销大幅度减小，才能使其采用一种较简单的置换策略，如先进先出（FIFO ）算法，它不需要特殊硬件的支持，实现起来非常简单。

（2）降低页面换进、换出的频率的方法 ①空闲页面链表：实际上该链表是一个空闲物理块链表，是系统掌握的空闲物理块，用于分配给频繁发生缺页的进程，以降低该进程的缺页率。当这样的进程需要读入一个页面时，便可利用空闲物理块链表中的第一个物理块来装入该页。当有一个未被修改的页要换出时，实际上并不将它换出到外存，而是把它们所在的物理块挂在空闲链表的末尾。 ②修改页面链表：它是由己修改的页面所形成的链表。设置该链表的目的是为了减少已修改页面换出的次数。当进程需要将一个已修改的页面换出时，系统并不立即把它换出到外存上，而是将它所在的物理块挂在修改页面链表的末尾。这样做的目的是:降低将已修该页面写回磁盘的频率，降低将磁盘内容读入内存的频率。

18.什么是抖动? 产生抖动的原因是什么?

18、在请求分页系统中，产生“抖动”的原因是什么？ 在请求分页式存储管理中，页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，此时系统性能急剧下降。这种现象称为颠簸或抖动。原因：问题产生的原因：

(1) 分配给进程的物理块数太少，不能满足进程正常运行的基本要求； (2) 页面淘汰算法不合理；

19.何谓工作集？它是基于什么原理确定的？

答：工作集（或驻留集）是指在某段时间间隔内，进程要访问的页面集合。经常被使用的页面需要在工作集中，而长期不被使用的页面要从工作集中被丢弃。为

了防止系统出现抖动现象，需要选择合适的工作集大小。工作集模型的原理是：让操作系统跟踪每个进程的工作集，并为进程分配大于其工作集的物理块。如果还有空闲物理块，则可以再调一个进程到内存以增加多道程序数。如果所有工作集之和增加以至于超过了可用物理块的总数，那么操作系统会暂停一个进程，将其页面调出并且将其物理块分配给其他进程，防止出现抖动现象。正确选择工作集的大小，对存储器的利用率和系统吞吐量的提嵩，都将产生重要影响。

20. 当前可以利用哪几种方法来防止“抖动”？

答：(1)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，则为了预防发生“抖动”，可采取局部置换策略。根据这种策略，当某进程发生缺页时，只能在分配给自己的内存空间内进行置换，不允许从其它进程去获得新的物理块。

(2 )把工作集算法融入到处理机调度中：当调度程序发现处理机利用率低下时，它将试图从外存调入一个新作业进入内存，来改善处理机的利用率。如果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。如果都已足够多，此时便可以从外存调入新的作业，不会因新作业的调入而导致缺页率的增加; 反之，如果有些进程的内存页面不足，则应首先为那些缺页率居高的作业增加新的物理块，此时将不再调入新的作业。

(3) 利用”L=S\准则调节缺页率：只有当L 与S 接近时，磁盘和处理机都可达到它们的最大利用率。理论和实践都已证明，利用“L=S准则，对于调节缺页率是十分有效的。 (4 )选择暂停的进程：当多道程序度偏高时，已影响到处理机的利用率，为了防止发生“抖动”，系统必须减少多道程序的数目。此时应基于某种原则选择暂停某些当前活动的进程，将它们调出到磁盘上，以便把腾出的内存空间分配给缺页率发生偏高的进程。

21.试试说明如何利用“L=S”准则来调节缺页率，以避免“抖动”的发生？ 答：从系统启动开始，每当要创建新进程或要为现有进程分配新空闲块时，就计算L值和S值。若L>S则，可以进行上述工作；当L值接近S值时，只能换页。 22.为了实现请求分段式存储管理，应在系统中增加配置哪些硬件结构？ 答：请求段表机制、缺段中断机制和地址变换机构。

23.在请求段表机制中，应设置哪些段表项？

答：存取方式，访问字段A，修改位M，存在位P，增补位，外存始址。

24.说明请求分段系统中的缺页中断处理过程。

答：请求分段系统中的缺页中断处理过程描述如下：

（1）根据当前执行指令中的逻辑地址查页表，判断该页是否在主存储器中； （2）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器。

（3）操作系统处理缺页中断处理的办法是查主存分配表找一个空闲的主存块，查页表找出该页在磁盘上位置，启动磁盘读出该页信息。 （4）把从磁盘上读出的信息装入找到的主存块中。

（5）当页面住处被装入主存后，应修改页表中对应的表目，填上该页所占用的

主存块把标志置为“1”，表示该页已在主存储器中

（6）由于产生缺页中断时的那条指令并没执行完，所以在把页面装入之后应重新执行被中断指令。

25. 请对共享段表中的各项作简要说明。

（1）共享进程计数count：非共享段仅为一个进程所需要。当进程不再需要该段时，可立即释放该段，并由系统回收该段所占用的空间。而共享段是为多个进程所需要的，为记录有多少进程正在共享该分段，须设置共享进程计数count 。当某进程不再需要而释放它时，系统并不立即回收该段所占内存区，而是检查count 是否为0, 若不是0, 则表示还有进程需要它，仅当所有共享该段的进程全都不再需要它时，此时count 为0, 才由系统回收该段所占内存区。

（2）存取控制字段：对于一个共享段，应为不同的进程赋予不同的存取权限。例如，对于文件主，通常允许他读和写而对其它进程，则可能只允许读，甚至只允许执行。

（3）段号：对于一个共享段，在不同的进程中可以具有不同的段号，每个进程可用自己进程的段号去访问该共享段。 26.如何实现共享分段的分配和回收 ?

（1）共享段的分配：在为共享段分配内存时，对第一个请求使用该共享段的进程，由系统为该共享段分配一物理区，再把共享段调入该区，同时将该区的始址填入请求进程的段表的相应项中，还须在共享段表中增加一表项，填写有关数据，把count 置为1之后，当又有其它进程需要调用该共享段时，由于该共享段已被调入内存，故此时无须再为该段分配内存，而只需在调用进程的段表中增加一表项，填写该共享段的物理地址；在共享段的段表中，填上调用进程的进程名、存取控制等，再执行操作，以表明有两个进程共享该段。

（2）共享段的回收：当共享此段的某进程不再需要该段时，应将该段释放，包括撤消在该进程段表中共享段所对应的表项，以及执行操作。若结果为0, 则须由系统回收该共享段的物理内存，以及取消在共享段表中该段所对应的表项，表明此时己没有进程使用该段；否则（减1结果不为0），只是取消调用者进程在共享段表中的有关记录。

第六章 输入输出系统

1. 试说明I/O系统的基本功能。

答：1. 隐藏物理设备的细节；2. 与设备的无关性 ；3. 提高处理机和I/O设备的利用率；4.对I/O设备进行控制；5.确保对设备的正确共享；6.错误处理

2. 简要说明I/O软件的4个层次的基本功能。

答：中断处理程序：用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后恢复现场，并返回到被中断的进程。

设备驱动程序：与硬件直接有关，用来具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作 。

设备独立性软件：用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护，以及设备分配与释放等。

用户层I/O软件：用于实现用户与I/O设备交互 。

3. I/O系统接口与软件/硬件（RW/HW)接口分别是什么接口？ 答：I/O系统接口是I/O系统与上层系统之间的接口，向上层提供对设备进行操作的抽象I/O命令，以方便高层对设备的使用；软件/硬件（RW/HW)接口的上面是中断处理程序何用于不同设备的设备驱动程序，它的下面是各种设备的控制器。

4. 与设备无关性的基本含义是什么？为什么要设置该层？ 答：为了提高OS的可适应性和可扩展性，在现代OS中都毫无例外地实现了设备独立性，也称设备无关性。基本含义：应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备两概念。在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。 优点: 1.设备分配时的灵活性 2.易于实现I/O重定向（用于I/O操作的设备可以更换（即重定向），而不必改变应用程序。

5. 试说明设备控制器的组成。

答：设置控制器与处理机的接口；设备控制器与设备的接口；I/O 逻辑。

6.为了实现CPU与设备控制器之间的通信，设备控制器应该具备哪些功能？ 答：基本功能：接收和识别命令；数据交换；标识和报告设备的状态；地址识别；数据缓冲；差错控制。

7.什么是内存映像I/O？它是如何实现的？

答：驱动程序将抽象命令转换出一系列具体命令、参数等 数据，装入设备控制器的相应寄存器，由控制器来执 行这些命令，具体实施对I/O设备的控制，这一工作 可用两种方法来完成。

① 利用特定的I/O指令：访问内存和访问设备需要两种不同的指令。

② 内存映像I/O：该方式统一了对内存和对控制器的访问的方法，简化了I/O编程。基本做法是，在编址上不再区分内存单元地址和设备控制器地址，都采用k。 当0≤k≤n-1时，认为是内存地址，当k≥n时，认为是某个控制器的寄存器地址。

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