操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)5-虛擬存儲器管理

實(shí)驗(yàn)五主虛擬存儲器管理一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模擬分頁式虛擬存儲管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和缺頁中斷，以及選擇頁面調(diào)度算法處理缺頁中斷。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為了提高主存利用率，往往把輔助存儲器（如磁盤）作為主存儲器的擴(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地址空間。用這種辦法擴(kuò)充的主存儲器稱為虛擬存儲器。通過本實(shí)驗(yàn)幫助同學(xué)理解在分頁式存儲管理中怎樣實(shí)現(xiàn)虛擬存儲器。三、實(shí)驗(yàn)題目本實(shí)驗(yàn)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)的開始幾頁先裝入主存且啟動執(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 標(biāo)志 主存塊號 在磁盤上的位置其中，標(biāo)志——用來表示對應(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——用來表示已經(jīng)裝入主存的頁所占的塊號。在磁盤上的位置 ——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)存放的頁號和單元號，硬件的地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)按頁號查頁表，若該頁對應(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：絕對地址=塊號塊長+單元號計(jì)算出欲訪問的主存單元地址。如果塊長為2的冪次，則可把塊號作為高地址部分，把單元號作為低地址部分，兩者拼接而成絕對地址。按計(jì)算出的絕對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，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”，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

假定主存的每塊長度為

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：0 1 5 0111 1 8 0122 1 9 0133 1 1 0214 0 0225 0 0236 0 121圖5-1地址轉(zhuǎn)換模擬算法如果作業(yè)依次執(zhí)行的指令序列為：操作 頁號 單元號 操作 頁號 單元號+ 0 070 移位 4 053+ 1 050 + 5 0232 015 存 1 037存 3 021 取 2 078取 0 056 + 4 001- 6 040 存 6 084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應(yīng)頁的標(biāo)志。(2FIFO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：P[0]，P[1]

?，P[m-1]其中每一個(gè)

P[i](I=0,1,

?-1,表m示一個(gè)在主存中的頁面號。它們的初值為：P[0]：

=0,P[1]

：=1,

?,P[m-1]：

=m-1用一指針

K指示當(dāng)要裝入新頁時(shí)，應(yīng)淘汰的頁在數(shù)組中的位置，

K的初值為“0?！碑?dāng)產(chǎn)生缺頁中斷后，操作系統(tǒng)選擇

P[k]所指出的頁面調(diào)出，然后執(zhí)行：P[k]：

=要裝入頁的頁號k：

=(k+1modm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”示修改過，為表 “0”表示未修改過，格式為：頁號 標(biāo)志 主存塊號 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)際地啟動調(diào)出一頁和裝入一頁的程序，而用輸出調(diào)出的頁號和裝入的頁號來代替一次調(diào)出和裝入的過程。把第一題中程序稍作改動，與本題結(jié)合起來， FIFO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 標(biāo)志 主存塊號 修改標(biāo)志 在磁盤上的位置0 1 5 0 0111 1 8 0 0122 1 9 0 0133 1 1 0 0214 0 0 0225 0 0 0236 0 0 121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，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，核對執(zhí)行的結(jié)果。圖5-2FIFO頁面調(diào)度模擬算法第三題：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應(yīng)頁的標(biāo)志。(2LRU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，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 0 6 4 5 1 2 4 62 3 0 6 4 5 1 2 41 2 3 0 6 4 5 1 20 1 2 3 0 6 4 5 1當(dāng)產(chǎn)生缺頁中斷后，操作系統(tǒng)總是淘汰由最后一個(gè)元素所指示的頁，再把要訪問的頁裝入淘汰頁所占的主存塊中，頁號登記到數(shù)組的第一個(gè)元素中，重新啟動剛才那條指令執(zhí)行。(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)際地啟動調(diào)出一頁和裝入一頁的程序而用輸出調(diào)出的頁號和裝入的頁號來代替。把第一題中程序稍作改動，與本題結(jié)合起來，LRU頁面調(diào)度模擬算法如圖5-3。圖5-3LRU頁面調(diào)度模擬算法(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，以及執(zhí)行了最后一條指令后數(shù)組中的值。(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，核對執(zhí)行的結(jié)果。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(1實(shí)驗(yàn)題目（第二題或第三題）。(2程序