操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)5-虛擬存儲(chǔ)器管理

實(shí)驗(yàn)五主虛擬存儲(chǔ)器管理一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模擬分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和缺頁(yè)中斷，以及選擇頁(yè)面調(diào)度算法處理缺頁(yè)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(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)驗(yàn)幫助同學(xué)理解在分頁(yè)式存儲(chǔ)管理中怎樣實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)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(yè)式存儲(chǔ)管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生缺頁(yè)中斷。[提示]：(1分頁(yè)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)的開始幾頁(yè)先裝入主存且啟動(dòng)執(zhí)行。為此，在為作業(yè)建立頁(yè)表時(shí)，應(yīng)說明哪些頁(yè)已在主存，哪些頁(yè)尚未裝入主存，頁(yè)表的格式為：頁(yè)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(yè)是否已經(jīng)裝入主存，標(biāo)志位=1，則表示該頁(yè)已經(jīng)在主存，標(biāo)志位=0，則表示該頁(yè)尚未裝入主存。主存塊號(hào)——用來表示已經(jīng)裝入主存的頁(yè)所占的塊號(hào)。在磁盤上的位置 ——用來指出作業(yè)副本的每一頁(yè)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(yè)號(hào)和單元號(hào)，硬件的地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)按頁(yè)號(hào)查頁(yè)表，若該頁(yè)對(duì)應(yīng)標(biāo)志為 “1”，則表示該頁(yè)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。如果塊長(zhǎng)為2的冪次，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(yè)對(duì)應(yīng)標(biāo)志為“0，”則表示該頁(yè)不在主存，這時(shí)硬件發(fā)“缺頁(yè)中斷”信號(hào)，由操作系統(tǒng)按該頁(yè)在磁盤上的位置，把該頁(yè)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(yè)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(yè)不在主存時(shí)，則輸出“*該頁(yè)頁(yè)號(hào)”，表示產(chǎn)生了一次缺頁(yè)中斷。該模擬程序的算法如圖

5-1。(4

假定主存的每塊長(zhǎng)度為

128個(gè)字節(jié)；現(xiàn)有一個(gè)共七頁(yè)的作業(yè)，其中第

0頁(yè)至第

3頁(yè)已經(jīng)裝入主存，其余三頁(yè)尚未裝入主存；該作業(yè)的頁(yè)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(yè)號(hào) 單元號(hào) 操作 頁(yè)號(hào) 單元號(hào)+ 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(yè)面調(diào)度算法處理缺頁(yè)中斷。[提示]：(1在分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，當(dāng)硬件發(fā)出 “缺頁(yè)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(yè)面調(diào)度算法把該作業(yè)中最先進(jìn)入主存的一頁(yè)調(diào)出，存放到磁盤上。然后再把當(dāng)前要訪問的頁(yè)裝入該塊。調(diào)出和裝入后都要修改頁(yè)表中對(duì)應(yīng)頁(yè)的標(biāo)志。(2FIFO頁(yè)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(yè)，因此可以用一個(gè)數(shù)組來表示該作業(yè)已在主存的頁(yè)面。假定作業(yè)被選中時(shí)，把開始的 m個(gè)頁(yè)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(yè)面號(hào)。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(yè)時(shí)，應(yīng)淘汰的頁(yè)在數(shù)組中的位置，

K的初值為“0。”當(dāng)產(chǎn)生缺頁(yè)中斷后，操作系統(tǒng)選擇

P[k]所指出的頁(yè)面調(diào)出，然后執(zhí)行：P[k]：

=要裝入頁(yè)的頁(yè)號(hào)k：

=(k+1modm再由裝入程序把要訪問的一頁(yè)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(yè)面調(diào)度程序，為了提高系統(tǒng)效率，如果應(yīng)淘汰的頁(yè)在執(zhí)行中沒有修改過，則可不必把該頁(yè)調(diào)出（因在磁盤上已有副本）而直接裝入一個(gè)新頁(yè)將其覆蓋。因此在頁(yè)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(yè)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(yè)和裝入一頁(yè)的程序，而用輸出調(diào)出的頁(yè)號(hào)和裝入的頁(yè)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， FIFO頁(yè)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(yè)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(yè)表為：頁(yè)號(hào) 標(biāo)志 主存塊號(hào) 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(yè)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)行的結(jié)果。圖5-2FIFO頁(yè)面調(diào)度模擬算法第三題：用最近最少用（ LRU）頁(yè)面調(diào)度算法處理缺頁(yè)中斷。[提示]：(1在分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，當(dāng)硬件發(fā)出 “缺頁(yè)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(yè)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(yè)調(diào)出，存放到磁盤上。然后再把當(dāng)前要訪問的頁(yè)裝入該塊。調(diào)出和裝入后都要修改頁(yè)表中對(duì)應(yīng)頁(yè)的標(biāo)志。(2LRU頁(yè)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(yè)，因此可以用一個(gè)數(shù)組來表示該作業(yè)已在主存的頁(yè)面。數(shù)組中的第一個(gè)元素總是指出當(dāng)前剛訪問的頁(yè)號(hào)，因此最久沒被訪問過的頁(yè)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(yè)面調(diào)度算法，那么在主存中的頁(yè)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(yè)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(yè)，再把要訪問的頁(yè)裝入淘汰頁(yè)所占的主存塊中，頁(yè)號(hào)登記到數(shù)組的第一個(gè)元素中，重新啟動(dòng)剛才那條指令執(zhí)行。(3編制一個(gè) LRU頁(yè)面調(diào)度程序，為了提高系統(tǒng)效率，如果淘汰的頁(yè)在執(zhí)行中沒有修改過，則可不必把該頁(yè)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(yè)和裝入一頁(yè)的程序而用輸出調(diào)出的頁(yè)號(hào)和裝入的頁(yè)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(yè)面調(diào)度模擬算法如圖5-3。圖5-3LRU頁(yè)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(yè)表，頁(yè)表中為每一頁(yè)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(yè)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、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(1實(shí)驗(yàn)題目（第二題或第三題）。(2程序