操作系统第五章(新)

第五章一填空题1.对打印机的I/O控制方式常采用中断驱动I/O控制方式，对磁盘的I/O控制方式常采用直接存储器访问I/O方式。

2.DMA是指允许CPU和I/O设备之间直接交换数据的设备。

在DMA中必须设置地址寄存器，用于存放由内存到设备的内存源地址，还必须设置数据寄存器，用来暂存交换的数据。

3.设备控制器是CPU和I/O设备之间的接口，它接受来自CPU的I/O命令，并用于控制I/O设备的工作。

4.缓冲池中的每个缓冲区由缓冲首部和缓冲体两部分组成。

5.I/O软件通常被组织成用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序和中断处理程序四个层次6.驱动程序与I/O设备的I/O控制方式紧密相关，如果计算机中连有3个同种类型的彩色终端和2个同种类型的黑白终端，则可以为它们配置2个设备驱动程序。

7.为实现设备分配，系统中应配置设备控制表和系统设备表的数据结构，为实现控制器和通道的分配，系统还应配置控制器控制表和通道控制表的数据结构。

8.除了设备的独立性外，在设备分配时还应考虑设备的固有属性、设备分配算法和设备分配的安全性三种因素。

9.为实现设备独立性，在系统中必须设置逻辑设备表，通常它包括逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址三项。

10.SPOOLing系统是由磁盘中的输入井和输出井,内存中的输入缓冲区和输出缓冲区以及输入进程SPi和输出进程SPo组成的。

11.实现后台打印时，SPOOLing系统中的输出进程只为请求I/O的进程做两件事：(1)为之在输出井中申请一空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中；(2)为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入表中，再将排在请求打印队列中。

12.磁盘的访问时间由寻道时间、旋转延迟时间和传输时间三部分组成，其中占比重比较大的是寻道时间，故从磁盘调度的目标为使磁盘的平均寻道时间最少。

13.在磁盘调度中，选择优先为离当前磁头最近的磁道上的请求服务的算法为最短寻道时间优先(SSTF)算法，这种算法的缺点是会产生饥饿现象，选择优先为当前磁头移动方向上，离当前磁头最近的磁道上请求服务的算法为扫描(SCAN)算法。

第五章参考答案1、设备控制器位于设备与CPU之间，它要与CPU、设备进行通信。

设备控制器一般都由3部分构成：设备控制器与CPU的接口、设备控制器与设备的接口、I/O逻辑。

2、设备控制器应具备下列功能1）接收与识别命令：接收与识别CPU发送的命令，这些命令放在寄存器中。

由设备驱动程序进行解释与执行。

2）交换数据：3）标识与报告设备状态4）地址识别：如内存的每一个单元都有地址，每个设备已都有一个地址。

CPU就是通过这些地址来控制与识别设备。

5）数据缓冲：由于CPU和内存的速度较高，而I/O设备的速度较低，因此在他们中间必要通过缓冲区进行速度匹配。

6）差错控制9、引入缓冲主要原因有（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。

在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的I/O操作，以缓解CPU与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率（2）减少对CPU的中断次数（频率）。

14、1）安全分配方式：当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到I/O完成才被唤醒。

不可能造成死锁2）不安全分配方式：在这种方式中，当进程提出I/O请求后，仍然进行运行，需要时又提出第二个I/O请求。

可能造成死锁。

设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。

引入设备独立性有二：1）设备分配具有灵活性：当进程以物理设备名来请求某设备时，如果该设备已经分配，而尽管这是还有其它的相同设备正在空闲（但名字不同），该进程仍然要被阻塞。

但如果用逻辑设备名来请求，系统就会从这类设备中进行分配。

2）易于实现I/O重定向：/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。

为了实现设备独立性必须引入逻辑设备与物理设备（设备的独立性是通过逻辑设备来实现的）。

在应用程序中使用的是逻辑设备（通过逻辑设备名来请求设备）；而系统执行时，是使用的物理设备。

因此必须有将逻辑设备转化为物理设备的功能（OS要做的事情）将一台物理I/O设备虚拟为多个逻辑I/O设备，让多个用户共享一台物理I/O设备，实现设备虚拟的关键技术是SPOOLing技术。

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。

第五章一、问答题1、简述页式虚拟存储管理的基本原理。

2、交换扩充了内存，因此，交换也实现了虚拟存储器。

这句话对吗？不对。

交换是把各个进程完整地调入内存，运行一段时间，再放回磁盘上。

虚拟存储器是使进程在只有一部分在内存的情况下也能运行。

交换是把整个进程换入换出主存。

而虚拟存储器的基本思想是程序的大小可以超过物理内存的大小，操作系统把程序的一部分调入主存来运行，而把其他部分保留在磁盘上。

故交换并未实现虚拟存储器。

3、简述虚拟存储器的实现原理。

4、简述快表的作用。

5、什么是紧凑？什么时候紧凑？6、比较存储管理中的连续分配和离散分配方式。

7、当系统中的地址空间非常大时（例如32位），会给页表的设计带来什么问题？请给出一个方案并分析其优缺点。

答：会导致页表过长从而很难找到一块连续的存储空间存放页表，此外如果页表中的行不连续也会加大访问页表的查找时间。

可以用多级页表解决这个问题，将页表分页，离散地存储在不同区域，同时建立另一张页表映射原来页表的每一页。

优点是不需要大块的连续空间，但并没有减少页表的空间，同时也增加了访存次数。

8、缺页中断和一般中断有什么区别？9、简述分页存储管理的基本思想和页表的作用。

10、交换扩充了内存，因此，交换也实现了虚拟存储器。

这句话对吗？11、叙述简单Clock置换算法的实现方案。

12、解释静态重定位与动态重定位。

13、什么叫紧凑，什么时候紧凑？14、为了实现虚拟页式存储管理，页表应该包含哪些内容？15、页和段有哪些区别？16、覆盖技术和交换技术的特点是什么？17、简述分页和分段的区别。

18、什么是紧凑？什么时候紧凑？19、简述虚拟存储器的定义。

20、简述分页和分段的区别21什么叫可重入代码？22、局部性原理可以体现在哪两个方面，其具体含义是什么？23、分页和分段的主要区别是什么？二、计算题1、现有一分页虚拟存取管理系统，其页表保存在寄存器中。

若有一个可用的空页或被替换的页未被修改，则它处理一个缺页中断需要8ms。

第5章习题答案3、可变分区管理方式下，采用移动技术有什么优点移动一道作业时操作系统要做哪些工作答:消除外部碎片.经过一段时间的分配回收后,会产生很多碎片,这些碎片都很小,不足以满足程序分配重内存的要求,但总和可以满足程序的分配要求.通过移动技术,在适当的时候,在内存中移动程序,把所有空闲碎片合并成一个连续的大空闲空间放在内存一端,就可以满足分配的要求移动一道作业时，操作系统需要修改被移动进程的地址信息，还要复制进程空间；而且在移动时必须停止所有其他程序的运行。

4、用可变分区方式管理主存时，假定主存中按地址顺序依次有五个空闲区，空闲区的大小依次为32K，10K，5K，228K，100K。

现有五个作业J1，J2，J3，J4和J5。

它们各需主存1K，10K，108K，28K和115K。

若采用最先适应分配算法能把这五个作业按J1～J5的次序全部装入主存吗你认为按怎样的次序装入这五个作业可使主存空间利用率最高。

答：（1）不行。

列表模拟J1~J5进入内存情况如下：（2）以J1,J2,J3,J5,J4的次序装入这五个作业可使主存空间利用率最高。

这样可以将五个作业全部装入内存，使得内存利用率最高。

6、段式存储管理系统中是如何实现存储保护的答：因为段是按逻辑意义来划分的，可以按段名访问所以段式存储管理可以方便地实现内存信息的共享并进行有效的内存保护。

段式管理的保护主要有两种。

一种是地址越界保护法，另一种是存取方式控制保护法。

具体措施有：（1）利用段表及段长来实现段的保护，防止程序执行时地址越界。

（2）存取权限保护法：在段表中设有“存取权”一项，可对程序的保护权限进行各种必要的限制。

（3）存储保护键保护：由于I/O通道对存储器访问是不经过段表的，因此有的机器还采用存储保护键保护。

地址越界保护是利用表中的段长项与虚拟地址中的段内相对地址比较进行的。

若段内相对地址大于段长，系统就会产生保护中断。

不过，在允许段动态增长的系统中，段内相对地址大于段长是允许的。

第5章存储器管理习题与解答5.2 例题解析例5.2.1 为什么要引入逻辑地址？解引入逻辑地址有如下原因：(1) 物理地址的程序只有装入程序所规定的内存空间上才能正确执行，如果程序所规定内存空间不空闲或不存在，程序都无法执行；(2) 使用物理地址编程意味着由程序员分配内存空间，这在多道程序系统中，势必造成程序所占内存空间的相互冲突；(3) 在多道程序系统中，程序员门无法事先协商每个程序所应占的内存空间的位置，系统也无法保证程序执行时，它所需的内存空间都空闲。

(4) 基于上述原因，必须引入一个统一的、在编程时使用的地址，它能够在程序执行时根据所分配的内存空间将其转换为对应的物理地址，这个地址就是逻辑地址。

(5) 逻辑地址的引入为内存的共享、保护和扩充提供方便。

例5.2.2 静态重定位的特点有哪些？(1) 实现容易，无需增加硬件地址变换机构；(2) 一般要求为每个程序分配一个连续的存储区；(3) 在重定位过程中，装入内存的代码发生了改变；(4) 在程序执行期间不在发生地址的变换；(5) 在程序执行期间不能移动，且难以做到程序和数据的共享，其内存利用率低。

例5.2.3 动态重定位的特点有哪些？(1) 动态重定位的实现要依靠硬件地址变换机构，且存储管理的软件算法比较复杂；(2) 程序代码是按原样装入内存的，在重定位的过程中也不发生变化，重定位产生的物理地址存放在内存地址寄存器中，因此不会改变代码；(3) 同一代码中的同一逻辑地址，每执行一次都需要重位一次；(4) 只要改变基地址，就可以很容易地实现代码在内存中的移动；(5) 动态重定位可以将程序分配到不连续的存储区中；(6) 实现虚拟存储器需要动态重定位技术的支持；尽管动态重定位需要硬件支持，但他支持程序浮动，便于利用零散的内存空间，利于实现信息共享和虚拟存储，所以现代计算机大都采用动态重定位。

例5.2.4 装入时动态链接的优点有哪些？（1）便于软件版本的修改和更新在采用装入时动态链接方式时，要修改或更新各个目标模块，是件非常容易的事，但对于经静态链接以装配在一起的装入模块，如果要修改或更新其中的某个目标模块时，则要求重新打开装入模块，这不仅是低效的，而且对于普通用户是不可能的。

第五章设备管理3. 什么是字节多路通道？什么是数组选择通道和数组多路通道？a.字节多路通道含有许多非分配型子通道分别连接在低、中速I/O设备上，子通道按时间片轮转方式共享主通道，按字节方式进行数据传送。

当第一个子通道控制其I/O设备完成一个字节的交换后，便立即腾出字节多路通道（主通道），让给第二个子通道使用；当第二个子通道也交换完一个字节后，又依样把主通道让给第三个子通道使用，以此类推。

转轮一周后，重又返回由第一个子通道去使用主通道。

b.数组选择通道只含有一个分配型子通道，一段时间内只能执行一道通道程序、控制一台设备按数组方式进行数据传送。

通道被某台设备占用后，便一直处于独占状态，直至设备数据传输完毕释放该通道，故而通道利用率较低，主要用于连接多台高速设备。

c. 数组多路通道是将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道。

其含有多个非分配型子通道分别连接在高、中速I/O设备上，子通道按时间片轮转方式共享主通道，按数组方式进行数据传送，因而既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。

4. 如何解决因通道不足而产生的瓶颈问题？解决因通道不足而产生的瓶颈问题的最有效方法是增加设备到主机间的通路而不是增加通道。

换言之，就是把一个设备连接到多个控制器上，而一个控制器又连接到多个通道上。

这种多通路方式不仅可以解决该瓶颈问题，而且能够提高系统的可靠性，也即不会因为个别通道或控制器的故障而使设备与存储器之间无法建立通路进行数据传输。

6. 试说明I/O控制发展的主要推动因素是什么？促使I/O控制不断发展的几个主要因素如下：a.尽量减少CPU对I/O控制的干预，把CPU从繁杂的I/O控制中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。

b.缓和CPU的高速性和设备的低速性之间速度不匹配的矛盾，以提高CPU的利用率和系统的吞吐量。

c.提高CPU和I/O设备操作的并行程度，使CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提高整个系统的资源利用率和系统吞吐量。

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（）。

人形容高尔夫的18洞就好像人生，障碍重重，坎坷不断。

然而一旦踏上了球场，你就必须集中注意力，独立面对比赛中可能出现的各种困难，并且承担一切后果。

也许，常常还会遇到这样的情况：你刚刚还在为抓到一个小鸟球而欢呼雀跃，下一刻大风就把小白球吹跑了；或者你才在上一个洞吞了柏忌，下一个洞你就为抓了老鹰而兴奋不已。

第五章7.试比较缺页中断机构与一般的中断，他们之间有何明显的区别？答：缺页中断作为中断，同样需要经历保护CPU现场、分析中断原因、转缺页中断处理程序进行处理、恢复CPU现场等步骤。

但缺页中断又是一种特殊的中断，它与一般中断的主要区别是：（ 1）在指令执行期间产生和处理中断信号。

通常，CPU都是在一条指令执行完后去检查是否有中断请求到达。

若有便去响应中断；否则继续执行下一条指令。

而缺页中断是在指令执行期间，发现所要访问的指令或数据不在内存时产生和处理的。

(2)一条指令在执行期间可能产生多次缺页中断。

例如，对于一条读取数据的多字节指令，指令本身跨越两个页面，假定指令后一部分所在页面和数据所在页面均不在内存，则该指令的执行至少产生两次缺页中断。

8.试说明请求分页系统中的页面调入过程。

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。

19.何谓工作集？它是基于什么原理确定的？答：工作集：在某段时间间隔里，进程实际所要访问页面的集合。