實(shí)習(xí)五-虛擬存儲器實(shí)驗(yàn)報告

實(shí)習(xí)五虛擬存儲器

一、實(shí)習(xí)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)習(xí)目的在計算機(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)習(xí)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)習(xí)題目本實(shí)習(xí)有三個題，其中第一題必做，第二、第三題中可任選一個。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，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，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，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，這時根據(jù)關(guān)系式：絕對地址=塊號塊長+單元號計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)計一個“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，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，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個字節(jié)；現(xiàn)有一個共七頁的作業(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：01501111801221901331102140

02250

02360

121

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+0070移位4053+1050+50232015存1037存3021取2078取0056+4001-6040存6084

運(yùn)行設(shè)計的地址轉(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。(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，把開始的m個頁面裝入主存，則數(shù)組的元素可定為m個。例如：P[0]，P[1]…，P[m-1]其中每一個P[i](I=0,1,…,m-1)表示一個在主存中的頁面號。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，應(yīng)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+1)modm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，F(xiàn)IFO頁面調(diào)度模擬算法如圖5-2。(4)如果一個作業(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015001111800122190013311002140

002250

002360

0121

按依次執(zhí)行的指令序列，運(yùn)行你所設(shè)計的程序，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)計的程序，核對執(zhí)行的結(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。(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)組的第一個元素中，重新啟動剛才那條指令執(zhí)行。(3)編制一個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。

(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)計的程序，核對執(zhí)行的結(jié)果。四源程序程序中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及符號說明typedefstruct//作業(yè){ charname[10];//作業(yè)名稱 intpageNum;//頁號 intoffset;//單元號,偏移位移}Job;typedefstruct//頁表{ intpageNum;//頁號 intmflag;//標(biāo)志(是否在內(nèi)存) intblockNum;//主存塊號 intalterFlag;//修改標(biāo)志 intposition;//在磁盤上的位置}PageTable;(2)打印一份源程序并附上注釋#include<stdio.h>#include<string.h>typedefstruct//作業(yè){ charname[10];//作業(yè)名稱 intpageNum;//頁號 intoffset;//單元號,偏移位移}Job;typedefstruct//頁表{ intpageNum;//頁號 intmflag;//標(biāo)志(是否在內(nèi)存) intblockNum;//主存塊號 intalterFlag;//修改標(biāo)志 intposition;//在磁盤上的位置}PageTable;voidInitPageTable(PageTable*pt){ intblockNum[5]={0,5,8,9,1}; intposition[5]={0,11,12,13,21}; for(inti=1;i<5;i++) { pt[i].pageNum=i-1; pt[i].mflag=1; pt[i].blockNum=blockNum[i]; pt[i].alterFlag=0; pt[i].position=position[i]; }}voidInitJob(Job*job){ constchar*name[12]={"+","+","*","存","取","-","移位","+","存","取","+","存"}; intpf[12]={0,1,2,3,0,6,4,5,1,2,4,6}; intoffset[12]={70,50,15,21,56,40,53,23,37,78,1,84}; for(inti=0;i<12;i++) { strcpy(job[i].name,name[i]); job[i].pageNum=pf[i]; job[i].offset=offset[i]; }}voidFIFODiaoDu(Jobjob,PageTable*pt){ if(pt[1].alterFlag==1) printf("頁面%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",pt[1].pageNum,pt[1].pageNum,job.pageNum); else printf("頁面%d調(diào)出內(nèi)存,頁面%d調(diào)入內(nèi)存\n",pt[1].pageNum,job.pageNum); inttemp[2]={pt[1].blockNum,pt[1].position};//暫存調(diào)出頁面信息,容納新頁 for(inti=1;i<5;i++) //數(shù)組模擬內(nèi)存中放置頁塊隊列,先進(jìn)來的在隊首，后進(jìn)來的在隊尾 pt[i-1]=pt[i]; pt[4].pageNum=job.pageNum; pt[4].blockNum=temp[0]; pt[4].position=temp[1]; if(strcmp(,"存")==0)//存操作,修改標(biāo)志置1 pt[4].alterFlag=1; elsept[4].alterFlag=0;}voidprintPageTable(PageTable*pt){ printf("頁號標(biāo)志主存塊號修改標(biāo)志在磁盤上的位置\n"); for(inti=1;i<5;i++) printf("%d%d%d%d%d\n",pt[i].pageNum,pt[i].mflag,pt[i].blockNum,pt[i].alterFlag,pt[i].position);}voidprintJob(Job*job){ printf("作業(yè)名頁號單元號\n"); for(inti=0;i<12;i++) printf("%4s%d%d\n",job[i].name,job[i].pageNum,job[i].offset);}intmain(void){ Jobjob[12]; InitJob(job); printf("作業(yè)依次執(zhí)行的指令序列:\n"); printJob(job); PageTablept[5]; InitPageTable(pt); printf("初始內(nèi)存表:\n"); printPageTable(pt); printf("\n********************************作業(yè)執(zhí)行開始*******************************\n\n"); for(inti=0;i<12;i++) { intj=0; for(j=1;j<5;j++) { if(job[i].pageNum==pt[j].pageNum)//作業(yè)所需頁面在內(nèi)存中 { if(strcmp(job[i].name,"存")==0)//存操作修改指令置1 pt[j].alterFlag=1; break; } } if(j==5)//缺頁中斷 { printf("********************缺頁中斷**********************\n"); FIFODiaoDu(job[i],pt);//先進(jìn)先出頁面調(diào)度 printf("作業(yè)\"%s\"重新執(zhí)行\(zhòng)n",job[i].name); i--;//該作業(yè)重新執(zhí)行 } else { printf("\t作業(yè)\"%s\"開始執(zhí)行\(zhòng)n",job[i].name); printf("邏輯地址:頁號%d,單元號%d\n",job[i].pageNum,job[i].offset); printf