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

目录

存储管理程序设计

一、实验目的和要求 (1)

二、实验内容及原理 (1)

三、实验仪器及设备 (3)

四、操作方法与实验步骤 (3)

五、实验数据记录和处理 (3)

六、实验结果分析 (8)

七、实验感想 (9)

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

(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）mod m

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。

j ∶= P[k]

j 页的修改标志=1?

输出“OUTj ” P[k]∶=L k ∶=(k+1) mod m 修改页表

输出“IN L ”

取一条指令 开始 页标志=1?

输出绝对地址 取一条指令

输出“﹡页号”

取指令中访问的页号＝＞L

查页表 形成绝对地址

置L 页修改标志”1” 结束

是”存”指令?

有后继指令?

否(产生缺页中断)

是

否

否

否

是

是

模拟硬件

地址转换

模拟FIFO 页面调度

是

表3-2 作业的页表

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

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

#define N 6//实验中假定的页表长度

#define M 4//主存物理块数

struct

{int lnumber; //页号

int flag; //表示该页是否在主存，"1"表示在主存，"0"表示不在主存

int pnumber; //该页所在主存块的块号

int write; //该页是否被修改过，"1"表示修改过，"0"表示没有修改过

int dnumber; //该页存放在磁盘上的位置，即磁盘块号

}page[N]; //页表定义

int p[M];//用数组模拟]FIFO算法中的队列(使用循环队列)

int head;

void initial(void);

int do_mmap(int);//模拟地址转换

void do_page_fault(int);//缺页中断处理程序

void run_first_instructon(int);//执行进程的第一条指令

void run_a_instruction(int);//CPU执行一条指令

void print_page_and_fifoqueue(void);//输出页表和FIFO队列

main()

{

int laddress, paddress;//逻辑地址，物理地址

int lnumber, 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)(-1 to end)"<

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)(-1 to end)"<

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="<

char change;

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)，-1 to end)\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)(-1 to end)"<

cin>>laddress;

}

}

cout<<"进程运行结束!"<

system("PAUSE");

return 0;

}

//手工初始化页表和p[M]队列

void initial(void)

{

int i;

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

void print_page_and_fifoqueue(void)

{

int i;

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

int do_mmap(int laddress)

{

int lnumber, 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;

return paddress;

}

//CPU执行一条指令，输出物理地址表示指令执行完成

void run_a_instruction(int paddress)

{

cout<

}

//执行进程的第一条指令

void run_first_instructon(int laddress)

{

int lnumber, 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="<

char change;

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

void write_to_harddisk(int j)

{

cout<

}

//缺页中断处理程序

void do_page_fault(int lnumber)

{

int j;//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。