嵌入式操作系统模板

课程设计说明书嵌入式操作系统课程设计题目:院系：计算机科学与工程学院专业班级：计算机07级5班学号： 200714297学生姓名：李科指导教师：蒋社想2014年 11月 25日安徽理工大学课程设计（论文）任务书年月日安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表银行家算法是一种最有代表性的避免死锁的算法。

在避免死锁方法中允许进程动态地申请资源，但系统在进行资源分配之前，应先计算此次分配资源的安全性，若分配不会导致系统进入不安全状态，则分配，否则等待。

为实现银行家算法，系统必须设置若干数据结构。

利用银行家算法，安全性算法避免死锁使各进程处于安全状态，进程申请资源仍处于安全状态。

总资源数、进程数、已分配的资源都可从文档中直接读出到DOS界面，列出进程安全序列。

源程序是用高级语言C++编程实现。

页面算法包括：最佳置换算法(Optimal)、先进先出(FIFO)页面置换算法、最近最久未使用(LRU)置换算法等。

关键词：银行家算法资源页面置换算法1．银行家算法 (1)1.1 系统分析 (1)1.1.1问题描述 (1)1.1.2算法描述 (1)1.1.3设计目的 (1)1.2 系统设计 (1)1.2.1设计要求 (1)1.2.2设计原理 (2)1.2.3设计流程图 (3)1.3系统实现 (5)1.3.1数据结构 (5)1.3.2函数声明 (5)1.3.3运行结果 (5)2页面置换算法 (9)2.1系统分析 (9)2.1.1设计内容 (9)2.1.2设计要求 (9)2.2系统设计 (9)2.2.1最佳(Optimal)置换算法 (10)2.2.2先进先出（FIFO）页面置换算法 (11)2.2.3最近最久未使用（LRU）置换算法 (12)2.2.4随机数发生器 (13)2.3系统实现 (13)2.3.1数据结构 (13)2.3.2函数声明 (13)2.3.3运行结果 (13)3总结 (17)3.1设计体会 (17)参考文献 (17)1．银行家算法1.1 系统分析1.1.1问题描述通过编写和调试一个系统动态分配资源的简单模拟程序，观察死锁产生的条件，并采用适当的算法，有效地防止和避免死锁地发生。

1.1.2算法描述银行家算法是避免死锁的一种重要方法，通过编写一个简单的银行家算法程序，加深了解有关资源申请、避免死锁等概念，并体会和了解死锁和避免死锁的具体实施方法。

死锁的产生，必须同时满足四个条件，即一个资源每次只能由一个进程占有；第二个为等待条件，即一个进程请求资源不能满足时，它必须等待，但它仍继续保持已得到的所有其他资源；第三个为非剥夺条件，即在出现死锁的系统中一定有不可剥夺使用的资源；第四个为循环等待条件，系统中存在若干个循环等待的进程，即其中每一个进程分别等待它前一个进程所持有的资源。

防止死锁的机构只能确保上述四个条件之一不出现，则系统就不会发生死锁。

通过这个算法可以用来解决生活中的实际问题，如银行贷款等。

安全性算法进行安全性检查看进程能否获得所申请的资源使进程处于安全状态。

两种算法结合避免死锁。

1.1.3设计目的带着下面几个问题，对课题进行深入分析直至解决问题：1.了解进程产生死锁原因；2.了解为什么要进行死锁的避免；3.掌握银行家算法的数据结构；4.了解算法的执行过程，加深对银行家算法的理解。

1.2 系统设计1.2.1设计要求1．分析设计内容，给出解决方案（要说明设计实现的原理，采用的数据结构）。

2．画出程序的基本结构框图和流程图。

3．对程序的每一部分要有详细的设计分析说明。

4．源代码格式要规范。

5．设计合适的测试用例，对得到的运行结果要有分析。

6．设计中遇到的问题，设计的心得体会。

7．按期提交完整的程序代码、可执行程序和课程设计报告。

1.2.2设计原理1.应行家算法思路：先对用户提出的请求进行合法性检查，即检查请求的是不大于需要的，是否不大于可利用的。

若请求合法，则进行试分配。

最后对试分配后的状态调用安全性检查算法进行安全性检查。

若安全，则分配，否则，不分配，恢复原来状态，拒绝申请。

2.银行家算法中用到的主要数据结构：可利用资源向量 int Available[j] j为资源的种类。

最大需求矩阵 int Max[i][j] i为进程的数量。

分配矩阵 int Allocation[i][j]需求矩阵 int need[i][j]= Max[i][j]- Allocation[i][j]申请各类资源数量 int Request i[j] i进程申请j资源的数量工作向量 int Work[x] int Finish[y]3.银行家算法（bank()函数）：进程i发出请求申请k个j资源，Request i[j]=k(1)检查申请量是否不大于需求量：Request i[j]<=need[i,j],若条件不符重新输入，不允许申请大于需求量。

(2)检查申请量是否小于系统中的可利用资源数量：Request i[j]<=available[i,j]，若条件不符就申请失败，阻塞该进程，用goto语句跳转到重新申请资源。

(3)若以上两个条件都满足，则系统试探着将资源分配给申请的进程，并修改下面数据结构中的数值：Available[i,j]= Available[i,j]- Request i[j]；Allocation[i][j]= Allocation[i][j]+ Request i[j]；need[i][j]= need[i][j]- Request i[j]；(4)试分配后，执行安全性检查，调用safe()函数检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。

若安全，才正式将资源分配给进程；否则本次试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让该进程等待。

(5)用do{…}while 循环语句实现输入字符y/n判断是否继续进行资源申请。

4.安全性检查算法（safe()函数）：(1)设置两个向量：工作向量Work，它表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数目，在执行安全性算法开始时，Work= Available。

Finish，它表示系统是否有足够的资源分配给进程，使之运行完成。

开始时先做Finish[i]=0；当有足够的资源分配给进程时，再令Finish[i]=1。

(2)在进程中查找符合以下条件的进程：条件1：Finish[i]=0；条件2：need[i][j]<=Work[j]若找到，则执行步骤(3)否则，执行步骤(4)(3)当进程获得资源后，可顺利执行，直至完成，并释放出分配给它的资源，故应执行：Work[j]= Work[j]+ Allocation[i][j]；Finish[i]=1；goto step 2；(4)如果所有的Finish[i]=1都满足，则表示系统处于安全状态，否则，处于不安全状态。

1.2.3设计流程图根据算法设计原理及程序结构分析画出程序里程图如下页图，即图2-1所示：图1-2-1银行家算法程序流程图1.3系统实现1.3.1数据结构程序使用的全局变量：const int x=10，y=10； //定义常量int Available[x]; //各种资源可利用的数量int Allocation[y][y]; //各进程当前已分配的资源数量int Max[y][y]; //各进程对各类资源的最大需求数int Need[y][y]; //还需求矩阵int Request[x]; //申请各类资源的数量int Work[x]; //工作向量，表系统可提供给进程运行所需各类资源数量int Finish[y]; //表系统是否有足够的资源分配给进程，0为否，1为是int p[y]; //存储安全序列int i,j; //全局变量，主要用于循环语句中int n,m; //n为进程的数量,m为资源种类数int l=0,counter=0;1.3.2函数声明本程序中用到的函数：void chushihua(); //系统初始化函数void safe(); //安全性算法函数void bank(); //银行家算法函数void show (); //输出当前资源分配情况1.3.3运行结果在此测试用例是以.txt格式文档实现，输入资源数和进程数有程序直接调用。

图1-3-1最大资源数图1-3-2已分配资源数图1-3-3总资源数从图中我们可以看到测试程序银行家算法的总资源数，已分配资源数，最大资源数，以及资源种类3，进程数5，较直观的显示测试数据。

通过输入资源种类数目，进程数，将显示状态是否安全。

测试结果如下页各图所示：图1-3-4初始化结果图1-3-5检测系统资源分配是否安全结果（1）图1-3-6检测系统资源分配是否安全结果（2）图1-3-7检测系统资源分配是否安全结果（3）2页面置换算法2.1系统分析2.1.1设计内容编制页面置换算法的模拟程序，利用C++语言编程实现最佳（Optimal）置换算法、先进先出（FIFO）页面置换算法、最近最久未使用（LRU）置换算法。

2.1.2设计要求1).用随机数方法产生页面走向，页面走向长度为L(15<=L<=20),L由控制台输入。

2).根据页面走向，分别采用Optinal、FIFO、LRU算法进行页面置换，统计缺页率。

3).假定可用内存块为m(3<=m<=5)，m由控制台输入，初始时，作业页面都不在内存。

4). 每个学生必须独立完成课程设计，不能相互抄袭；5).设计完成后，将所完成的工作交由老师检查；6).要求写出一份详细的设计报告。

课程设计报告内容包括：设计目的、设计内容、设计原理、算法实现、流程图、源程序、运行示例及结果分析、心得体会、参考资料等。

2.2系统设计2.2.1最佳(Optimal)置换算法图2-2-1最佳置换算法流程图2.2.2先进先出（FIFO）页面置换算法该算法总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。

该算法实现简单，只需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，并设置一个指针，称为替换指针，是他总是指向最老的页面。

但该算法与进程实际运行的规律不相适应，因为在进程中，有些页面经常被访问，比如，含有全局变量，常用函数，例程等的页面，FIFO算法并不能保证这些页面不被淘汰。

设计原理：需要进行页面置换，即把内存中装入最早的那个页面淘汰，换入当前的页面。

算法流程图图2-2-2先进先出置换算法流程图2.2.3最近最久未使用（LRU）置换算法FIFO置换算法性能之所以较差，是因为它所依据的条件是各个页面调入内存的时间，而页面调入的先后那并不能反映页面的使用情况。

最近最久未使用（LRU）的页面置换算法，是根据页面调入内存后的使用情况进行决策的。

由于无法预测各页面将来的使用情况，只能利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似，因此。