操作系统实验存储管理程序设计.docx
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操作系统实验存储管理程序设计
本科实验报告
课程名称:
操作系统B
实验项目:
存储管理程序设计
实验地点:
专业班级:
学号:
学生姓名:
指导教师:
2011年11月
实验三存储管理程序设计
一、实验目的和要求
(一)目的
存储管理的主要功能之一是合理地分配主存空间。
请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。
本实验的目的是通过请求页式存储管理中页面置换算法的模拟设计,来了解虚拟存储技术的特点,掌握请求页式存储管理的页面置换算法。
(二)要求
模拟页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断的处理过程,并用先进先出调度算法(FIFO)处理缺页中断。
二、实验内容及原理
(1)为了装入一个页面而必须调出一页时,如果被选中调出的页面在执行中没有修改过,则不必把该页重新写到磁盘上(因磁盘上已有副本)。
因此,在页表中可以增加是否修改过的标志,当执行“存”指令、“写”指令时把对应页的修改标志置成“1”,表示该页修改过,否则为“0”,表示该页未修改过。
页表格式如表3-1所示。
表3-1页表格式
页号
标志
主存块号
修改标志
磁盘上的位置
(2)设计一个地址转换程序来模拟硬件的地址转换和缺页中断处理过程。
当访问的页在主存时则形成绝对地址,但不去模拟指令的执行,可用输出转换后的绝对地址来表示一条指令已完成。
当访问的页不在主存时则输出“*该页页号”来表示硬件产生了一次缺页中断。
模拟地址转换的程序流程如图3-1所示。
(3)编制一个FIFO页面调度程序。
FIFO页面调度算法总是先调出作业中最先进入主存的那一页,因此,可以用一个数组来构成页号队列。
数组中每个元素是该作业已在主存的页面号,假定分配给作业的主存块数为m,且该作业开始的m页已装入主存,则数组可由m个元素组成:
P[0],P[1],…,P[m-1]
它们的初值为
P[0]∶=0,P[1]∶=1,…,P[m-1]∶=m-1
用一指针k指示当要装入新页时应调出的页在数组的位置,k的初值为“0”。
图3-1地址转换和FIFO页面调度流程
当产生缺页中断后,操作系统总是选择P[k]所指出的页面调出,然后执行
P[k]∶=要装入的新页页号
k∶=(k+1)modm
在实验中不必实际地启动磁盘执行调出一页和装入一页的工作,而用输出“OUT调出的页号”和“IN要装入的新页页号”来模拟一次调出和装入的过程。
模拟程序的流程见图3-1。
(4)假定主存的每块长度为1024个字节,现有一个共7页的作业,其副本已在磁盘上。
系统为该作业分配了4块主存块,且该作业的第0页至第3页已经装入主存,其余3页尚未装入主存,该作业的页表见表3-2所示。
表3-2作业的页表
页号
标志
主存块号
修改标志
在磁盘上的位置
0
1
5
0
011
1
1
8
0
012
2
1
9
0
013
3
1
1
0
021
4
0
0
022
5
0
0
023
6
0
0
121
如果该作业依次执行的指令序列如表3-3所示。
表3-3作业依次执行的指令序列
操作
页号
页内地址
操作
页号
页内地址
+
0
070
移位
4
053
+
1
050
+
5
023
×
2
015
存
1
037
存
3
021
取
2
078
取
0
056
+
4
001
-
6
040
存
6
084
依次执行上述的指令序列来调试你所设计的程序(仅模拟指令的执行,不必考虑指令序列中具体操作的执行)
(5)为了检查程序的正确性,可自行确定若干组指令序列,运行设计的程序,核对执行结果。
三、实验仪器及设备
计算机一台、c++6.0编程软件
四、操作方法与实验步骤
1.编写源程序
2.编译运行
五、实验数据记录和处理
源程序:
#include
#include
#include
#include
#defineN6//实验中假定的页表长度
#defineM4//主存物理块数
struct
{intlnumber;//页号
intflag;//表示该页是否在主存,"1"表示在主存,"0"表示不在主存
intpnumber;//该页所在主存块的块号
intwrite;//该页是否被修改过,"1"表示修改过,"0"表示没有修改过
intdnumber;//该页存放在磁盘上的位置,即磁盘块号
}page[N];//页表定义
intp[M];//用数组模拟]FIFO算法中的队列(使用循环队列)
inthead;
voidinitial(void);
intdo_mmap(int);//模拟地址转换
voiddo_page_fault(int);//缺页中断处理程序
voidrun_first_instructon(int);//执行进程的第一条指令
voidrun_a_instruction(int);//CPU执行一条指令
voidprint_page_and_fifoqueue(void);//输出页表和FIFO队列
main()
{
intladdress,paddress;//逻辑地址,物理地址
intlnumber,ad,pnumber;//页号,页内地址和物理块号
initial();
print_page_and_fifoqueue();//输出页表和FIFO队列
run_first_instructon(0x0000);//运行进程的第一条指令的地址
cout<<"输入下一条指令的逻辑地址(0~32767)(-1toend)"<cin>>laddress;
while(laddress>32767){
cout<<"输入错误!
请重新输入下一条指令的逻辑地址(0~32767)(-1toend)"<cin>>laddress;
}
while(laddress!
=-1){
lnumber=laddress>>10;//取逻辑地址的页号lnumber
if(page[lnumber].flag==1){//指令所在的页面已装入在内存中
paddress=do_mmap(laddress);//形成物理地址
cout<run_a_instruction(paddress);
cout<<"此指令执行是否修改所在页lnumber="<)";
charchange;
cin>>change;
if(tolower(change)=='y'){
page[lnumber].write=1;print_page_and_fifoqueue();
}
}
else{//缺页中断
cout<do_page_fault(lnumber);//直接转去缺页中断处理
continue;//本循环结束,重新执行指令
}
cout<<"输入下一条指令的逻辑地址((0~32767),-1toend)\n";
cin>>laddress;
while(laddress>32767){//输入正确性检测
cout<<"输入错误!
请重新输入下一条指令的逻辑地址(0~32767)(-1toend)"<cin>>laddress;
}
}
cout<<"进程运行结束!
"<system("PAUSE");
return0;
}
//手工初始化页表和p[M]队列
voidinitial(void)
{
inti;
for(i=0;i<=5;i++){
page[i].lnumber=i;
if(i<=M-1){//预装入算法初始化页表的前四项
cout<<"输入页号为"<
";
cin>>page[i].pnumber;
page[i].flag=1;//存在标志置1
}
}
//初始化FIFO的队列
head=0;
for(i=0;i<=M-1;i++)
p[i]=i;
}
//输出页表和FIFO队列
voidprint_page_and_fifoqueue(void)
{
inti;
cout<<"输出页表!
\n";
cout<<for(i=0;i<=N-1;i++)cout<<cout<<"输出FIFO对列:
\n";
cout<cout<<"head="<
for(i=0;i<=M-1;i++)
cout<}
//模拟地址转换
intdo_mmap(intladdress)
{
intlnumber,ad,pnumber,paddress;
lnumber=laddress>>10;//取逻辑地址的页号lnumber
ad=laddress&0x3ff;//页内地址
pnumber=page[lnumber].pnumber;//从页表中取得块号pnumber
paddress=pnumber<<10|ad;
returnpaddress;
}
//CPU执行一条指令,输出物理地址表示指令执行完成
voidrun_a_instruction(intpaddress)
{
cout<}
//执行进程的第一条指令
voidrun_first_instructon(intladdress)
{
intlnumber,ad,pnumber,paddress;
lnumber=laddress>>10;//取逻辑地址的页号
if(page[lnumber].flag==1)
paddress=do_mmap(laddress);//形成物理地址
cout<run_a_instruction(paddress);
cout<<"此指令执行(0x0000)是否修改所在页面lnumber="<)";
charchange;
cin>>change;
if(tolower(change)=='y'){//若指令执行完时修改了页面,则置write标志位位1
page[lnumber].write=1;
print_page_and_fifoqueue();
}
cout<<"********第一条指令执行完成(地址为0x0000)***********"<}
//页面写回磁盘
voidwrite_to_harddisk(intj)
{
cout<}
//缺页中断处理程序
voiddo_page_fault(intlnumber)
{
intj;//j是选择淘汰的页
j=p[head];
p[head]=lnumber;//lnumber是新装入的页号
head=(head+1)%M;
//若淘汰出主存的页j已修改,则写会磁盘
if(page[j].write==1)
write_to_harddisk(j);//页j写回磁盘
//修改页表
page[j].flag=0;//页表中第j页的存在标志为0
page[lnumber].flag=1;//页表第lnumber的存在标志为1
page[lnumber].write=0;//页表第lnumber的修改标志为0
page[lnumber].pnumber=page[j].pnumber;//第拉怒目布尔页的主存块号为第j页原主存块号
cout<cout<<"按任意键将查看“页面置换”之后的页表page[N]和FIFO队列信息"<system("PAUSE");
print_page_and_fifoqueue();
}
六、实验结果分析
七、实验感想
本实验是通过请求页式存储管理中页面置换算法的模拟设计,来了解虚拟存储技术的特点,掌握请求页式存储管理页面置换算法。
该程序通过查找页表,得到该页所在外存的物理块号。
如果此时内存未满,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,则须按某种置换算法从内存中选出一页准备换出,是否重新写盘由页表的修改位决定,然后将缺页调入,修改页表。
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。
先进先出算法总是最先淘汰最先进入内存的页面,比较简单,容易理解,即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。
该算法是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,并设置一个置换指针,使它总是指向最老页面。
CPU接收到缺页中断信号,中断处理程序先保存现场,分析中断原因,转入缺页中断处理程序。
在编写程序时,还要设置一个缺页中断指针,当出现缺页时指针增一,最后通过总页数和缺的页数,算出缺页率。
通过本实验,更深刻的了解了存储器的管理方式,还有页表置换算法的认知,通过不同的算法来对内存的页面进行管理。
另外,编程之前要做好整体规划,充分掌握整个程序下各个小模块的功能和他们之间调度的关系,先实现各个模块子程序,这样效率很高。