實(shí)習(xí)五虛擬存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)習(xí)五虛擬存儲(chǔ)器一、實(shí)習(xí)內(nèi)容以及選擇頁面調(diào)度算法處理缺模擬分頁式虛擬存儲(chǔ)管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和缺頁中斷, 頁中斷。二、實(shí)習(xí)目的在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為了提高主存利用率，往往把輔助存儲(chǔ)器(如磁盤)作為主存儲(chǔ)器的擴(kuò)充，使多道運(yùn)行的作業(yè)的全部邏輯地址空間總和可以超出主存的絕對(duì)地址空間。用這種辦法擴(kuò)充的主存儲(chǔ)器稱為虛擬存儲(chǔ)器。通過本實(shí)習(xí)幫助同學(xué)理解在分頁式存儲(chǔ)管理中怎樣實(shí)現(xiàn) 虛擬存儲(chǔ)器。三、實(shí)習(xí)題目本實(shí)習(xí)有三個(gè)題，其中第一題必做，第二、第三題中可任選一個(gè)。 第一題：模擬分頁式存儲(chǔ)管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生缺頁中斷。提示:(1) 分頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)是把作業(yè)信息的副本存放在磁盤上，當(dāng)作業(yè)被選中時(shí)，可把作業(yè)的開始

2、幾頁先裝入主存且啟動(dòng)執(zhí)行。為此，在為作業(yè)建立頁表時(shí)，應(yīng)說明哪些頁已在主存，哪些頁尚未裝入主存，頁表的格式為：頁號(hào)標(biāo)志主存塊號(hào)在磁盤上的位置其中，標(biāo)志用來表示對(duì)應(yīng)頁是否已經(jīng)裝入主存，標(biāo)志位=1，則表示該頁已經(jīng)在主存，標(biāo)志位=0，則表示該頁尚未裝入主存。主存塊號(hào)一一用來表示已經(jīng)裝入主存的頁所占的塊號(hào)。在磁盤上的位置一一用來指出作業(yè)副本的每一頁被存放在磁盤上的位置。(2) 作業(yè)執(zhí)行時(shí)，指令中的邏輯地址指出了參加運(yùn)算的操作數(shù)存放的頁號(hào)和單元號(hào)，硬件的地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)按頁號(hào)查頁表，若該頁對(duì)應(yīng)標(biāo)志為"1”，則表示該頁已在主存，這時(shí)根據(jù)關(guān)系式：絕對(duì)地址=塊號(hào)塊長(zhǎng)+單元號(hào)計(jì)算出欲訪問的主存單元地址。如果

3、塊長(zhǎng)為2的幕次，則可把塊號(hào)作為高地址部分，把單元號(hào)作為低地址部分，兩者拼接而成絕對(duì)地址。按計(jì)算出的絕對(duì)地址可以取到操作數(shù)，完成一條指令的執(zhí)行。若訪問的頁對(duì)應(yīng)標(biāo)志為"0 "，則表示該頁不在主存，這時(shí)硬件發(fā)"缺頁中斷”信號(hào)，由操作系統(tǒng)按該頁在磁盤上的位置，把該頁信息從磁盤讀出裝入主存后再重新執(zhí)行這條指令。(3) 設(shè)計(jì)一個(gè)“地址轉(zhuǎn)換”程序來模擬硬件的地址轉(zhuǎn)換工作。當(dāng)訪問的頁在主存時(shí)，則形成絕對(duì)地址，但不去模擬指令的執(zhí)行，而用輸出轉(zhuǎn)換后的地址來代替一條指令的執(zhí)行。當(dāng)訪問的頁不在主存時(shí)，則輸出“ *該頁頁號(hào)”，表示產(chǎn)生了一次缺頁中斷。該模擬程序的算 法如圖5-1。(4) 假

4、定主存的每塊長(zhǎng)度為 128個(gè)字節(jié)；現(xiàn)有一個(gè)共七頁的作業(yè)，其中第 0頁至第3 頁已經(jīng)裝入主存，其余三頁尚未裝入主存；該作業(yè)的頁表為：015011118012219013311021400225002360121如果作業(yè)依次執(zhí)行的指令序列為:操作頁號(hào)單元號(hào)操作頁號(hào)單元號(hào)+0070移位4053+1050+50232015存1037存3021取2078取0056+4001-6040存6084運(yùn)行設(shè)計(jì)的地址轉(zhuǎn)換程序，顯示或打印運(yùn)行結(jié)果。因僅模擬地址轉(zhuǎn)換，并不模擬指令的執(zhí)行，故可不考慮上述指令序列中的操作。第二題：用先進(jìn)先出(FIFO )頁面調(diào)度算法處理缺頁中斷。提示:(1) 在分頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，當(dāng)硬

5、件發(fā)出“缺頁中斷”后，引出操作系統(tǒng)來處理這個(gè)中斷事件。如果主存中已經(jīng)沒有空閑塊，則可用FIFO頁面調(diào)度算法把該作業(yè)中最先進(jìn)入主存的一頁調(diào)出，存放到磁盤上。然后再把當(dāng)前要訪問的頁裝入該塊。調(diào)出和裝入后都要修改頁表中對(duì)應(yīng)頁的標(biāo)志。(2) FIFO 頁面調(diào)度算法總是淘汰該作業(yè)中最先進(jìn)入主存的那一頁，因此可以用一個(gè)數(shù)組來表示該作業(yè)已在主存的頁面。假定作業(yè)被選中時(shí)，把開始的m個(gè)頁面裝入主存，則數(shù)組的元素可定為m個(gè)。例如：P0 , P1，Pm-1其中每一個(gè)Pi(l=0, 1,m-1)表示一個(gè)在主存中的頁面號(hào)。它們的初值為：P0 : =0, P1: =1,Pm-1: =m-1用一指針K指示當(dāng)要裝入新頁時(shí)，應(yīng)

6、淘汰的頁在數(shù)組中的位置，K的初值為“ 0”。當(dāng)產(chǎn)生缺頁中斷后，操作系統(tǒng)選擇Pk所指出的頁面調(diào)出，然后執(zhí)行：Pk:=要裝入頁的頁號(hào)k： = (k+1) mod m再由裝入程序把要訪問的一頁信息裝入到主存中。重新啟動(dòng)剛才那條指令執(zhí)行。(3) 編制一個(gè)FIFO頁面調(diào)度程序，為了提高系統(tǒng)效率，如果應(yīng)淘汰的頁在執(zhí)行中沒有修改過，則可不必把該頁調(diào)出(因在磁盤上已有副本)而直接裝入一個(gè)新頁將其覆蓋。因此在頁表中增加是否修改過的標(biāo)志，為“1”表示修改過，為“ 0”表示未修改過，格式為：頁號(hào)標(biāo)志主存塊號(hào)修改標(biāo)志在磁盤上的位置由于是模擬調(diào)度算法， 所以，不實(shí)際地啟動(dòng)調(diào)出一頁和裝入一頁的程序，而用輸出調(diào)出的頁號(hào)和裝

7、入的頁號(hào)來代替一次調(diào)出和裝入的過程。把第一題中程序稍作改動(dòng)，與本題結(jié)合起來，F(xiàn)IFO頁面調(diào)度模擬算法如圖 5-2。(4) 如果一個(gè)作業(yè)的副本已在磁盤上，在磁盤上的存放地址以及已裝入主存的頁和作業(yè)依次執(zhí)行的指令序列都同第一題中(4)所示。于是增加了“修改標(biāo)志”后的初始頁表為：頁號(hào)標(biāo)志主存塊號(hào)修改標(biāo)志在磁盤上的位置0150011118001221900133110021400022500023600121按依次執(zhí)行的指令序列，運(yùn)行你所設(shè)計(jì)的程序，顯示或打印每次調(diào)出和裝入的頁號(hào)，以及執(zhí)行了最后一條指令后的數(shù)組 P的值。(5) 為了檢查程序的正確性，可再任意確定一組指令序列，運(yùn)行設(shè)計(jì)的程序，核對(duì)執(zhí) 行

8、的結(jié)果。第三題：用最近最少用(LRU頁面調(diào)度算法處理缺頁中斷。提示:(1) 在分頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，當(dāng)硬件發(fā)出“缺頁中斷”后，引出操作系統(tǒng)來處理這個(gè)中斷事件。如果主存中已經(jīng)沒有空閑塊，則可用LRU頁面調(diào)度算法把該作業(yè)中距現(xiàn)在最久沒有被訪問過的一頁調(diào)出， 存放到磁盤上。然后再把當(dāng)前要訪問的頁裝入該塊。調(diào)出和裝入后都要修改頁表中對(duì)應(yīng)頁的標(biāo)志。(2) LRU頁面調(diào)度算法總是淘汰該作業(yè)中距現(xiàn)在最久沒被訪問過的那頁，因此可以用一個(gè)數(shù)組來表示該作業(yè)已在主存的頁面。數(shù)組中的第一個(gè)元素總是指出當(dāng)前剛訪問的頁號(hào)，因此最久沒被訪問過的頁總是由最后一個(gè)元素指出。如果主存只有四塊空閑塊且執(zhí)行第一題中提示(4)假設(shè)的指

9、令序列，采用 LRU頁面調(diào)度算法，那么在主存中的頁面變化情況如下：(3) 編制一個(gè)LRU頁面調(diào)度程序，為了提高系統(tǒng)效率，如果淘汰的頁在執(zhí)行中沒有修改過，則可不必把該頁調(diào)出。參看第二題中提示(3)。模擬調(diào)度算法不實(shí)際地啟動(dòng)調(diào)出一頁和裝入一頁的程序而用輸出調(diào)出的頁號(hào)和裝入的頁號(hào)來代替。把第一題中程序稍作改動(dòng)，與本題結(jié)合起來，LRU頁面調(diào)度模擬算法如圖 5-3。(4) 按第一題中提示(4)的要求，建立一張初始頁表，頁表中為每一頁增加“修改標(biāo) 志”位(參考第二題中提示(4 )。然后按依次執(zhí)行的指令序列，運(yùn)行設(shè)計(jì)的程序，顯示 或打印每次調(diào)出和裝入的頁號(hào)，以及執(zhí)行了最后一條指令后數(shù)組中的值。(5) 為了檢

10、查程序的正確性，可再任意確定一組指令序列，運(yùn)行設(shè)計(jì)的程序，核對(duì)執(zhí)行的結(jié)果。四源程序(1)程序中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及符號(hào)說明typedef struct / 作業(yè)char name10; 作業(yè)名稱int pageNum;/ 頁號(hào)int offset;/ 單元號(hào)，偏移位移 Job;typedef struct / 頁表int pageNum;/ 頁號(hào)int mflag;/ 標(biāo)志(是否在內(nèi)存)int blockNum;/ int alterFlag;/ int positi on;/主存塊號(hào)修改標(biāo)志在磁盤上的位置PageTable;(2)打印一份源程序并附上注釋#in clude <stdio.h

11、>#in clude <stri ng.h>typedef struct / 作業(yè)char name10; 作業(yè)名稱int pageNum;/ 頁號(hào)int offset;/ 單元號(hào)，偏移位移 Job;typedef struct / 頁表int pageNum;/ 頁號(hào)int mflag;/ 標(biāo)志(是否在內(nèi)存)int blockNum;/ 主存塊號(hào)int alterFlag;/修改標(biāo)志in t positio n;在磁盤上的位置PageTable;void In itPageTable(PageTable *pt)int blockNum5=0,5,8,9,1;in t po

12、sitio n5=0,11,12,13,21; for (i nt i=1;i<5;i+) pti.pageNum=i-1; pti.mflag=1;pti .blockNum=blockNumi; pti .alterFlag=0;pti.positi on=positi on i;void In itJob(Job *job) const char *name12="+","+","*","存","取","-"," 移位","+&quo

13、t;," 存","取""+""55存"in t pf12=0,1,2,3,0,6,4,5,1,2,4,6;int Offset12=70,50,15,21,56,40,53,23,37,78,1,84;for (int i=0;i<12;i+)strcpy(jobi. name ,n amei); jobi.pageNum=pfi; jobi.offset=offseti;void FIFODiaoDu(Job job,PageTable *pt)if (pt1.alterFlag=1) printf(”頁面

14、d已經(jīng)被修改，故頁面d寫回磁盤，頁面d調(diào)入內(nèi)存n ”,pt1.pageNum,pt1.pageNum,job.pageNum);elseprintf(”頁面 %d 調(diào)出內(nèi)存，頁面 %d 調(diào)入內(nèi)存n ”,pt1.pageNum,job.pageNum);int temp2=pt1.blockNum,pt1.position;暫存調(diào)出頁面信息，容納新頁for (int i=1;i<5;i+)/數(shù)組模擬內(nèi)存中放置頁塊隊(duì)列，先進(jìn)來的在隊(duì)首，后進(jìn)來的在隊(duì)尾pti-1=pti;pt4.pageNum=job.pageNum;pt4.blockNum=temp0;pt4.positi on=temp1

15、;if (strcmp(,"存")=0) 存操作，修改標(biāo)志置 1pt4.alterFlag=1;else pt4.alterFlag=0;void prin tPageTable(PageTable *pt)printf("頁號(hào)標(biāo)志主存塊號(hào)修改標(biāo)志在磁盤上的位置n”);for (i nt i=1;i<5;i+)prin tf(" %d %d %d %d %dn",pti.pageNum,pti .mflag,pti.blockNum,pti.alterFlag,pti.positi on);void prin tJob(J

16、ob *job)printf(" 作業(yè)名 頁號(hào)單元號(hào)n");for (int i=0;i<12;i+)prin tf("%4s %d %dn",jobi. name,jobi.pageNum,jobi.offs et);int mai n(void)Job job12;In itJob(job); printf("作業(yè)依次執(zhí)行的指令序列:n");prin tJob(job);PageTable pt5;In itPageTable(pt); printf(" 初始內(nèi)存表:n"); prin tPageTabl

17、e(pt);printf("n* *nn");for (int i=0;i<12;i+)int j=0;for (j=1;j<5;j+)if (jobi.pageNum=ptj.pageNum) 作業(yè)執(zhí)行作業(yè)所需頁面在內(nèi)存中if (strcmp(jobi. name," ptj.alterFlag=1;break;存"）=0）存操作修改指令置 1if (j=5)缺頁中斷printf(” *FIFODiaoDu(jobi,pt);printf(”作業(yè)" %s "重新執(zhí)行i-;該作業(yè)重新執(zhí)行頁中*n")先進(jìn)先出頁面調(diào)度n ",jobi. name); else作業(yè)" %s "邏輯地址：prin tf("tprintf("號(hào) %dn",jobi.pageNum,jobi.offset);prin tf("物理地址：號(hào) %dn",p