实验题目：页式虚拟存储器管理中地址转换和缺页中断
一、实验目的
1、深入了解页式存储管理如何实现地址转换；
2、进一步认识页式虚拟存储管理中如何实现缺页中断。
二、实验预备知识
1、页式存储管理中地址转换的方法；
2、页式虚拟存储的缺页中断处理方法。
三、实验内容
编写程序完成页式虚拟存储管理中地址转换过程和模拟缺页中断的处理。实验具体包括：首先对给定的地址进行地址转换工作，若发生缺页则先进行缺页中断处理，然后再进行地址转换；最后编写主函数对所做工作进行测试。
假定内存64KB，每个内存块1K（1024字节），作业最大支持到64KB，系统中每个作业分得内存块4块。
[提示]
1、页式存储管理中地址转换过程：假设内存块的大小为2n字节，内存大小为2m字节和逻辑地址
m位，则进行地址转换时，首先从逻辑地址中的高m-n位中取得页号，然后根据页号查页表，得到块号，并将块号放入物理地址的高m-n位，最后从逻辑地址中取得低n位放入物理地址的低n位就得到了物理地址，实验中使用软件模拟地址的转换过程，模拟地址转换的流程如下：
2、缺页处理过程
（1）根据当前执行指令中逻辑地址的页号查页表，判断该页是否在主存储器中，若该页标志为“0”，形成缺页中断。中断装置通过交换PSW让操作系统的中断处理程序占用处理机；
（2）操作系统处理缺页中断的方法就是查内存分配表，找一个空闲内存块；若无空闲块，查找表，选择一个已在内存的页面，把它暂时调出内存。若在执行过程中该页被修改过，则需将该页信息写回磁盘，否则不必写回；
（3）找出该页的磁盘位置，启动磁盘读出该页信息，把磁盘上读出的信息装入到第2步找到内存块，修改页表中该页的标志为“1”；
（4）由于产生缺页中断的那条指令没有执行完，所以页面装入后应重新执行被中断的指令。当重新执行该指令时，由于要访问的页面已在内存中，所以可正常执行。
程序代码
ia #include
#define n 64 1”0”1”number=lnumber;
page[i].flag=0;
page[i].write=0;
page[i].dnumber=dnumber;
i++;
cout<<"请输入页号和辅存地址:";
cin>>lnumber>>dnumber;
}
number=pnumber;
page[m].flag=1;rite==1)
cout<<"将页 "< page[j].flag=0; page[lnumber].pnumber=page[j].pnumber; page[lnumber].flag=1; page[lnumber].write=0; cout<<"淘汰主存块 "< < } lag==1){ number; paddress=pnumber<<10|ad; cout<<"逻辑地址是："< } else{ //页号为lnumber不在内存当中，则产生缺页中断 page_interrupt(lnumber); goto kk; } }//command 学号： 课程设计 题目段页式虚拟存储管理 学院计算机科学与技术 专业 班级 姓名 指导教师吴利军 2013 年 1 月16 日 课程设计任务书 学生姓名： 指导教师：吴利军工作单位：计算机科学与技术学院题目: 模拟设计段页式虚拟存储管理中地址转换 初始条件： 1．预备内容：阅读操作系统的内存管理章节内容，理解段页式存储管理的思想及相应的分配主存的过程。 2．实践准备：掌握一种计算机高级语言的使用。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写 等具体要求） 1．实现段页式存储管理中逻辑地址到物理地址的转换。能够处理以下的情形： ⑴能指定内存的大小，内存块的大小，进程的个数，每个进程的段数及段内 页的个数； ⑵能检查地址的合法性，如果合法进行转换，否则显示地址非法的原因。 2．设计报告内容应说明： ⑴需求分析； ⑵功能设计（数据结构及模块说明）； ⑶开发平台及源程序的主要部分； ⑷测试用例，运行结果与运行情况分析； ⑸自我评价与总结： i）你认为你完成的设计哪些地方做得比较好或比较出色； ii）什么地方做得不太好，以后如何改正； iii）从本设计得到的收获（在编写，调试，执行过程中的经验和教训）； iv）完成本题是否有其他方法（如果有，简要说明该方法）； 时间安排： 设计安排一周：周1、周2：完成程序分析及设计。 周2、周3：完成程序调试及测试。 周4、周5：验收、撰写课程设计报告。 （注意事项：严禁抄袭，一旦发现，一律按0分记） 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 一、需求分析： 页式管理基本原理： 各个进程的虚拟空间被划分成若干个长度相等的页。页长的划分和内存与外存之间的数据传输速度及内存大小等有关。一般每个页长大约为1----4K，经过页划分之后，进程的虚拟地址变为页号p与页内地址w所组成。 除了将进程的虚拟空间划分为大小相等的页之外，页式管理还把内存空间也按页的大小划分为片或者页面。这些页面为系统中的任一进程所共享。从而与分区管理不一样，分页管理时，用户进程在内存空间内除了在每个页面内地址连续之外，每个页面之间不再连续。第一是实现了内存中碎片的减少，因为任意碎片都会小于一个页面。第二是实现了由连续存储到非连续存储的这个飞跃，为在内存中局部地、动态地存储那些反复执行或即将执行的程序和数据段打下了基础。 怎样由页式虚拟地址转变为内存页面物理地址？页式管理把页式虚拟地址与内存页面物理地址建立一一对应页表，并用相应的硬件地址变换机构，来解决离散地址变换问题。 静态页面管理： 静态页面管理方法是在作业或进程开始执行之前，把该作业或进程的程序段和数据全部装入内存的各个页面，并通过页表和硬件地址变换机构实现虚拟地址到内存物理地址的地址映射。 1、内存页面的分配与回收 静态分页管理的第一步是为要求内存的作业或进程分配足够的页面。系统依靠存储页面表、请求页面表以及页表来完成内存的分配。 （1）页表 最简单的页表由页号与页面号组成，页表在内存中占有一块固定的存储区。页表的大小有进程或作业的长度决定。 每个进程至少要拥有一个页表。 （2）请求表 用来确定作业或进程的虚拟空间的各页在内存中的实际对应位置。系统必须知道每个作业或进程的页表起始地址和长度，以进行内存的分配和地址变换，另外请求表中还应包括每个作业或进程所要求的页面数。 （3）存储页面 存储页面表也是整个系统一张，存储页面表指出内存各个页面是否已被分配出去，以及未被分配页面总数。存储页面表也有两种构成方法，一种是在内存中划分一块固定区域，每个单元的每个比特代表一个页面，如果该页面已被分配，则对应比特位置置1，否则置0。 另一种方法空闲页面链，不占内存空间。 2、分配算法 3、地址变换 在程序执行过程中，执行的是虚拟空间中的代码，代码中的指令是相对于虚拟空间的，需要到内存的实际空间中寻找对应的要执行的指令。 静态页式管理的缺陷： 虽然解决了分区管理时的碎片问题，但是由于静态页式管理要求进程或作业在执行前全部装入内存，如果可用页面数小于用户要求时，改作业或进程只好等待。而且，作业或进程的大小仍受内存可用空间的限制。 操作系统-页式虚拟存储管理程序模拟 FIFO页面置换算法 1在分配内存页面数(AP)小于进程页面数(PP)时，当然是最先运行的AP个页面放入内存。 2这时有需要处理新的页面，则将原来内存中的AP个页面最先进入的调出(是以称为FIFO)，然后将新页面放入。 3以后如果再有新页面需要调入，则都按2的规则进行。 算法特点：所使用的内存页面构成一个队列。LRU页面置换算法 1当分配内存页面数(AP)小于进程页面数(PP)时，当然是把最先执行的AP个页面放入内存。2当需要调页面进入内存，而当前分配的内存页面全部不空闲时，选择将其中最长时间没有用到的那个页面调出，以空出内存来放置新调入的页面(称为LRU)。 算法特点：每个页面都有属性来表示有多长时间未被CPU使用的信息。 结果分析 #include 实验3：页式虚拟存储管理程序模拟 实验目的：编写程序来模拟计算机的两种调度方式： （1）先进先出算法 （2）最近最少使用算法 程序设计 FIFO页面置换算法 1在分配内存页面数(AP)小于进程页面数(PP)时，当然是最先运行的AP个页面放入内存。2这时有需要处理新的页面，则将原来内存中的AP个页面最先进入的调出(是以称为FIFO)，然后将新页面放入。 3以后如果再有新页面需要调入，则都按2的规则进行。 算法特点：所使用的内存页面构成一个队列。 LRU页面置换算法 1当分配内存页面数(AP)小于进程页面数(PP)时，当然是把最先执行的AP个页面放入内存。2当需要调页面进入内存，而当前分配的内存页面全部不空闲时，选择将其中最长时间没有用到的那个页面调出，以空出内存来放置新调入的页面(称为LRU)。 算法特点：每个页面都有属性来表示有多长时间未被CPU使用的信息。 结果分析 #include 实验五动态页式存储管理实现过程的模拟 一、实验目的与要求 在计算机系统中，为了提高主存利用率，往往把辅助存储器（如磁盘）作为主存储器的扩充，使多道运行的作业的全部逻辑地址空间总和可以超出主存的绝对地址空间。用这种办法扩充的主存储器称为虚拟存储器。通过本实验帮助学生理解在分页式存储管理中怎样实现虚拟存储器；掌握物理内存和虚拟内存的基本概念；掌握重定位的基本概念及其要点，理解逻辑地址与绝对地址；掌握动态页式存储管理的基本原理、地址变换和缺页中断、主存空间的分配及分配算法；掌握常用淘汰算法。 二、实验环境 VC++6.0集成开发环境或java程序开发环境。 三、实验内容 模拟分页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断，以及选择页面调度算法处理缺页中断。 四、实验原理 1、地址转换 （1）分页式虚拟存储系统是把作业信息的副本存放在磁盘上，当作业被选中时，可把作业的开始几页先装入主存且启动执行。为此，在为作业建立页表时，应说明哪些页已在主存，哪些页尚未装入主存，页表的格式如图10所示： 图10 页表格式 其中，标志----用来表示对应页是否已经装入主存，标志位=1，则表示该页已经在主存，标志位=0，则表示该页尚未装入主存。 主存块号----用来表示已经装入主存的页所占的块号。 在磁盘上的位置----用来指出作业副本的每一页被存放在磁盘上的位置。 （2）作业执行时，指令中的逻辑地址指出了参加运算的操作存放的页号和单元号，硬件的地址转换机构按页号查页表，若该页对应标志为“1”，则表示该页已在主存，这时根据关系式： 绝对地址=块号×块长+单元号 计算出欲访问的主存单元地址。如果块长为2的幂次，则可把块号作为高地址部分，把单元号作为低地址部分，两者拼接而成绝对地址。若访问的页对应标志为“0”，则表示该页不在主存，这时硬件发“缺页中断”信号，有操作系统按该页在磁盘上的位置，把该页信息从磁盘读出装入主存后再重新执行这条指令。 （3）设计一个“地址转换”程序来模拟硬件的地址转换工作。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，而用输出转换后的地址来代替一条指令的执行。当访问的页不在主存时，则输出“* 该页页号”，表示产生了一次缺页中断。该模拟程序的算法如图11。 图11 地址转换模拟算法 2、用先进先出（FIFO）页面调度算法处理缺页中断。 请求页式存储管理中常用页 面置换算法模拟 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 信息工程学院实验报告 课程名称：操作系统Array 实验项目名称：请求页式存储管理中常用页面置换算法模拟实验时间： 班级姓名：学号： 一、实验目的: 1.了解内存分页管理策略 2.掌握调页策略 3.掌握一般常用的调度算法 4.学会各种存储分配算法的实现方法。 5.了解页面大小和内存实际容量对命中率的影响。 二、实验环境: PC机、windows2000 操作系统、VC++6.0 三、实验要求： 本实验要求4学时完成。 1.采用页式分配存储方案，通过分别计算不同算法的命中率来比较算法的优劣，同时 也考虑页面大小及内存实际容量对命中率的影响； 2.实现OPT 算法 (最优置换算法)、LRU 算法 (Least Recently)、 FIFO 算法 (First IN First Out)的模拟； 3.会使用某种编程语言。 实验前应复习实验中所涉及的理论知识和算法，针对实验要求完成基本代码编写、实验中认真调试所编代码并进行必要的测试、记录并分析实验结果。实验后认真书写符合规范格式的实验报告，按时上交。 四、实验内容和步骤： 1.编写程序，实现请求页式存储管理中常用页面置换算法LRU算法的模拟。要求屏幕 显示LRU算法的性能分析表、缺页中断次数以及缺页率。 2.在上机环境中输入程序，调试，编译。 3.设计输入数据，写出程序的执行结果。 4.根据具体实验要求，填写好实验报告。 五、实验结果及分析： 实验结果截图如下： 利用一个特殊的栈来保存当前使用的各个页面的页面号。当进程访问某页面时，便将该页面的页面号从栈中移出，将它压入栈顶。因此，栈顶始终是最新被访问页面的编号，栈底是最 近最久未被使用的页面号。 当访问第5个数据“5”时发生了缺页，此时1是最近最久未被访问的页，应将它置换出去。同理可得，调入队列为：1 2 3 4 5 6 7 1 3 2 0 5，缺页次数为12次，缺页率为80%。 六、实验心得： 本次实验实现了对请求页式存储管理中常用页面置换算法LRU算法的模拟。通过实验，我对内存分页管理策略有了更多的了解。 最近最久未使用（LRU）置换算法的替换规则：是根据页面调入内存后的使用情况来进行决策的。该算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间，当需淘汰一个页面的时候选择现有页面中其时间值最大的进行淘汰。 最佳置换算法的替换规则：其所选择的被淘汰页面，将是以后永不使用的或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。 先进先出(FIFO)页面置换算法的替换规则：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，使它总是指向最老的页面。 三种替换算法的命中率由高到底排列OPT>LRU>FIFO。 本次的程序是在网上查找的相关代码然后自己进行修改，先自己仔细地研读了这段代码，在这过程中我对C++代码编写有了更深的了解。总之，本次实验使我明白要学会把课堂上的理论应用到实际操作中。我需要在今后熟练掌握课堂上的理论基础，只有坚实的基础，才能在实际操作中更得心应手。 课程设计 题目段页式虚拟存储管理 学院计算机科学与技术 专业 班级 姓名 指导教师吴利军 2013年1月16日 课程设计任务书 学生姓名： 指导教师：吴利军工作单位：计算机科学与技术学院题目: 模拟设计段页式虚拟存储管理中地址转换 初始条件： 1．预备内容：阅读操作系统的内存管理章节内容，理解段页式存储管理的思想及相应的分配主存的过程。 2．实践准备：掌握一种计算机高级语言的使用。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写 等具体要求） 1．实现段页式存储管理中逻辑地址到物理地址的转换。能够处理以下的情形： ⑴能指定内存的大小，内存块的大小，进程的个数，每个进程的段数及段内页 的个数； ⑵能检查地址的合法性，如果合法进行转换，否则显示地址非法的原因。 2．设计报告内容应说明： ⑴需求分析； ⑵功能设计（数据结构及模块说明）； ⑶开发平台及源程序的主要部分； ⑷测试用例，运行结果与运行情况分析； ⑸自我评价与总结： i）你认为你完成的设计哪些地方做得比较好或比较出色； ii）什么地方做得不太好，以后如何改正； iii）从本设计得到的收获（在编写，调试，执行过程中的经验和教训）； iv）完成本题是否有其他方法（如果有，简要说明该方法）； 时间安排： 设计安排一周：周1、周2：完成程序分析及设计。 周2、周3：完成程序调试及测试。 周4、周5：验收、撰写课程设计报告。 （注意事项：严禁抄袭，一旦发现，一律按0分记） 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 一、需求分析： 页式管理基本原理： 各个进程的虚拟空间被划分成若干个长度相等的页。页长的划分和内存与外存之间的数据传输速度及内存大小等有关。一般每个页长大约为1----4K，经过页划分之后，进程的虚拟地址变为页号p与页内地址w所组成。 除了将进程的虚拟空间划分为大小相等的页之外，页式管理还把内存空间也按页的大小划分为片或者页面。这些页面为系统中的任一进程所共享。从而与分区管理不一样，分页管理时，用户进程在内存空间内除了在每个页面内地址连续之外，每个页面之间不再连续。第一是实现了内存中碎片的减少，因为任意碎片都会小于一个页面。第二是实现了由连续存储到非连续存储的这个飞跃，为在内存中局部地、动态地存储那些反复执行或即将执行的程序和数据段打下了基础。 怎样由页式虚拟地址转变为内存页面物理地址页式管理把页式虚拟地址与内存页面物理地址建立一一对应页表，并用相应的硬件地址变换机构，来解决离散地址变换问题。 静态页面管理： 静态页面管理方法是在作业或进程开始执行之前，把该作业或进程的程序段和数据全部装入内存的各个页面，并通过页表和硬件地址变换机构实现虚拟地址到内存物理地址的地址映射。 1、内存页面的分配与回收 静态分页管理的第一步是为要求内存的作业或进程分配足够的页面。系统依靠存储页面表、请求页面表以及页表来完成内存的分配。 （1）页表 最简单的页表由页号与页面号组成，页表在内存中占有一块固定的存储区。页表的大小有进程或作业的长度决定。 每个进程至少要拥有一个页表。 （2）请求表 用来确定作业或进程的虚拟空间的各页在内存中的实际对应位置。系统必须知道每个作业或进程的页表起始地址和长度，以进行内存的分配和地址变换，另外请求表中还应包括每个作业或进程所要求的页面数。 （3）存储页面 存储页面表也是整个系统一张，存储页面表指出内存各个页面是否已被分配出去，以及未被分配页面总数。存储页面表也有两种构成方法，一种是在内存中划分一块固定区域，每个单元的每个比特代表一个页面，如果该页面已被分配，则对应比特位置置1，否则置0。 另一种方法空闲页面链，不占内存空间。 2、分配算法 3、地址变换 在程序执行过程中，执行的是虚拟空间中的代码，代码中的指令是相对于虚拟空间的，需要到内存的实际空间中寻找对应的要执行的指令。 静态页式管理的缺陷： 虽然解决了分区管理时的碎片问题，但是由于静态页式管理要求进程或作业在执行前全部装入内存，如果可用页面数小于用户要求时，改作业或进程只好等待。而且，作业或进程的大小仍受内存可用空间的限制。 动态页式管理： 动态页式管理是在静态页式管理的基础上发展起来的。它分为请求页式管理和与调入页式管理（调入方式上）。 湖南科技学院计算机与信息科学系 实验报告 实验名称请求页式存储管理中常用页面置换算法模拟 课程名称计算机操作系统所属系部班级计科0902 时间2011年12 月8 日第9、10 节地点E305 姓名王校君学号200908001230 成绩 本组成员（一人一组） 一、实验要求 1、上机前认真阅读实验内容，并编好程序； 2、上机实验后，请列出实验数据，写出实验结果； 3、完成实验报告后交任课教师。 二、实验目的 页式虚拟存储器实现的一个难点是设计页面调度（置换）算法，即将新页面调入内存时，如果内存中所有的物理页都已经分配出去，就要按某种策略来废弃某个页面，将其所占据的物理页释放出来，供新页面使用。本实验的目的是通过编程实现几种常见的页面调度（置换）算法，加深读者对页面思想的理解。三、实验环境 每人一台电脑，在下实现。 四、实验内容 （1）设计程序实现以上三种页面调度算法，要求： ①.可以选择页面调度算法类型； ②.可以为进程设置分到物理页的数目，设置进程的页面引用情况，可以从键盘输入页面序列，也可从文件中读取； ③.随时计算当前的页面调度次数的缺页中断率； ④.使用敲键盘或响应WM-TIMER的形式模仿时间的流逝； ⑤.以直观的的形式将程序的执行情况显示在计算机屏幕上； ⑥.存盘及读盘功能，可以随时将数据存入磁盘文件，供以后重复实验时使用。（2）假定进程分配到3个物理块，对于下面的页面引用序列： 7-0-1-2-0-3-0-4-2-3-0-3-2-1-2-0-1-7-0-1 请分别用先进和先出调度算法，最近最少用调度算法，最近最不常用调度算法计算缺页中断次数，缺页中断率和缺页调度次数、缺页置换率。 再假定进程分配到4、5个物理块，重复本实验。 （3）假定进程分配到3个物理块，对于下面的页面引用序列： 4-3-2-1-4-3-5-4-3-2-1-5-0-7-3-8-9-0-2-1-4-7-3-9 请分别用先进先出调度算法、最近最少用调度算法，最近最不常用调度算法计算缺页中断次数，缺页中断率和缺页调度次数、缺页置换率。 再假定进程分配到4、5个物理块，重复本实验。 （4）假定进程分配到3个物理块，使用程序的动态页面序列生成算法，生成一个页面序列，将此序列存入磁盘文件。再从磁盘文件读入该序列，用程序分别计算三种算法下的缺页中断次数、缺页中断率和缺页调度次数、缺页置换率。 页式虚拟存储管理中地址转换和缺页中断 一．实验目的 （1）深入了解存储管理如何实现地址转换。 （2）进一步认识页式虚拟存储管理中如何处理缺页中断。 二．实验内容 编写程序完成页式虚拟存储管理中地址转换过程和模拟缺页中断的处理。 三．实验原理 页式存储管理把内存分割成大小相等位置固定的若干区域，叫内存页面，内存的分配以“页”为单位，一个程序可以占用不连续的页面，逻辑页面的大小和内存页面的大小相同，内外存的交换也以页为单位进行，页面交换时，先查询快表，若快表中找不到所需页面再去查询页表，若页表中仍未找到说明发生了缺页中断，需先将所需页面调入内存再进行存取。 四．实验部分源程序 #define size 1024//定义块的大小，本次模拟设为1024个字节。 #include "stdio.h" #include "string.h" #include do_init(){ int i,j; srand(time(NULL)); for(i=0; i VMware 虚拟机存储管理 1)实现虚拟机共享存储 VMware vSphere环境中对共享存储的访问是通过VMware vStorage VMFS 实现的，这是一种专为虚拟机设计的高性能集群文件系统。 VMware vStorage VMFS 是专为虚拟服务器环境而设计、构造和优化的，可让多个虚拟机对由集群式存储构成的整合池进行共享访问，从而提高资源利用率。VMware vStorage VMFS 还为分布式基础架构服务奠定了基础，例如虚拟机和虚拟磁盘文件实时迁移，以及分布式资源调度、整合备份和自动灾难恢复。 作为文件系统，VMware vStorage VMFS 将构成虚拟机的所有文件存储在一个目录中。经过优化，可以支持大型文件，同时也可以执行许多小型的并发写操作。通过自动处理虚拟机文件，VMware vStorage VMFS 对整个虚拟机进行封装，使其很容易成为灾难恢复解决方案的一部分。事实上，VMware Infrastructure 3 之所以被TechTarget 评为“2006 年度灾难恢复产品”，VMware vStorage VMFS 是主要原因之一。 作为逻辑卷管理器，VMware vStorage VMFS 实现了一个存储资源界面，使得多种类型的存储（SAN、iSCSI 和NAS）能够以可承载虚拟机的数据存储的形式出现。通过以聚合存储资源方式实现那些数据存储的动态增长，VMware vStorage VMFS 可提供在最少停机或无停机的情况下增加共享存储资源池的能力。 VMware vStorage VMFS 与传统文件系统 传统文件系统在指定时间只允许一台服务器对同一文件进行读写访问。与之相对，VMware vStorage VMFS 使用共享存储来允许多个VMware ESX 实例对同一存储资源进行并发读写访问。 VMware vStorage VMFS 利用分布式日志来允许跨这些多服务器资源池进行快速、弹性的恢复。此外，VMware vStorage VMFS 提供了进行灾难恢复所必需的虚拟机快照功能，并且是VMware Consolidated Backup (VCB) 用来提供虚拟环境代理备份的界面。 VMware vStorage VMFS 与CFS 和CVM VMware vStorage VMFS 并不包含当今的其他集群文件系统(CFM) 和集群卷管理(CVM) 目录 1 需求分析 (2) 1.1 目的和要求 (2) 1.2 研究内容 (2) 2 概要设计 (2) 2．1 FIFO算法 (3) 2．2 LRU算法 (3) 2．3 OPT算法 (3) 2．4 输入新的页面引用串 (3) 3 详细设计 (4) 3．1 FIFO（先进先出）页面置换算法： (4) 3．2 LRU（最近最久未使用）置换算法： (4) 3．3 OPT（最优页）置换算法 (4) 4 测试 (5) 5 运行结果 (5) 6 课程设计总结 (10) 7 参考文献 (10) 8 附录：源程序清单 (11) 1 需求分析 1.1 目的和要求 在熟练掌握计算机虚拟存储技术的原理的基础上，利用一种程序设计语言模拟实现几种置换算法，一方面加深对原理的理解，另一方面提高学生通过编程根据已有原理解决实际问题的能力，为学生将来进行系统软件开发和针对实际问题提出高效的软件解决方案打下基础。 1.2 研究内容 模拟实现页式虚拟存储管理的三种页面置换算法（FIFO(先进先出)、LRU（最近最久未使用）和OPT（最长时间不使用）），并通过比较性能得出结论。 前提： （1）页面分配采用固定分配局部置换。 （2）作业的页面走向和分得的物理块数预先指定。可以从键盘输入也可以从文件读入。 （3）置换算法的置换过程输出可以在显示器上也可以存放在文件中，但必须清晰可读，便于检验。 2 概要设计 本程序主要划分为4个功能模块，分别是应用FIFO算法、应用LRU算法、应用OPT算法和页面引用串的插入。 1.1各模块之间的结构图 2．1 FIFO 算法 该模块的主要功能是对相应页面引用串进行处理，输出经过FIFO 算法处理之后的结果。 2．2 LRU 算法 该模块的主要功功能是对相应的页面引用串进行处理，输出经过LRU 算法处理之后的结果。 2．3 OPT 算法 该模块的主要功功能是对相应的页面引用串进行处理，输出经过OPT 算法处理之后的结果。 2．4 输入新的页面引用串 该模块的主要功能是用户自己输入新的页面引用串，系统默认的字符串是0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0，用户可以自定义全新的20个数字页面引用串。 主界面 FIFO 算法 LRU 算法 OPT 算法 新的页面引用 串 实验报告 课程名称操作系统原理实验名称虚拟页式管理 姓名学号专业班级网络 实验日期成绩指导教师赵安科 （①实验目的②实验原理③主要仪器设备④实验内容与步骤⑤实验数据记录与处理⑥实验结果与分析⑦问题建议） 实验二模拟请求页式存储管理中硬件的地址转换和缺页中断，并用先进先出调度算法（FIFO）处理缺页中断 1．内容：模拟请求页式存储管理中硬件的地址转换和缺页中断处理 2．思想： 装入新页置换旧页时，若旧页在执行中没有被修改过，则不必将该页重写磁盘。因此，页表中增加是否修改过的标志，执行“存”指令和“写”指令时将对应的修改标志置成“1” 3．要求及方法： ①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。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，可以输出转换后的绝对地址来表示一条指令已执行完成。当访问的页不在主存中时，则输出“*页号”来表示硬件产生了一次缺页中断。模拟地址转换流程见图1。 ②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中的哪一页。因此可以用一个数组来表示（或构成）页号队列。数组中每个元素是该作业已在主存中的页面号，假定分配给作业的页架数为m，且该作业开始的m页已装入主存，则数组可由m个元素构成。 P[0]，P[1]，P[2]，…，P[m-1] 它们的初值为P[0]：=0，P[1]：=1，P[2]：=2，…，P[m-1]：=m-1 用一指针K指示当要调入新页时应调出的页在数组中的位置，K的初值为“0”，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过程，模拟程序的流程图见附图1。 按流程控制过程如下： 提示：输入指令的页号和页内偏移和是否存指令?? ? 0 1非存指令存指令，若d 为-1则结束，否则进 入流程控制过程，得P 1和d ，查表在主存时，绝对地址=P 1×1024+d ③ 假定主存中页架大小为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个页架，且该作业的第0页至第3页已装入内存，其余3页未装入主 依次执行上述指令调试你所设计的程序（仅模拟指令的执行，不考虑序列中具体操作的执行）。 淮海工学院计算机科学系实验报告书 课程名：《操作系统》 题目：虚拟存储器管理 页面置换算法模拟实验 班级： 学号： 姓名： 一、实验目的与要求 1.目的： 请求页式虚存管理是常用的虚拟存储管理方案之一。通过请求页式虚存管理中对页面置换算法的模拟，有助于理解虚拟存储技术的特点，并加深对请求页式虚存管理的页面调度算法的理解。 2.要求： 本实验要求使用C语言编程模拟一个拥有若干个虚页的进程在给定的若干个实页中运行、并在缺页中断发生时分别使用FIFO和LRU算法进行页面置换的情形。其中虚页的个数可以事先给定（例如10个），对这些虚页访问的页地址流（其长度可以事先给定，例如20次虚页访问）可以由程序随机产生，也可以事先保存在文件中。要求程序运行时屏幕能显示出置换过程中的状态信息并输出访问结束时的页面命中率。程序应允许通过为该进程分配不同的实页数，来比较两种置换算法的稳定性。 二、实验说明 1．设计中虚页和实页的表示 本设计利用C语言的结构体来描述虚页和实页的结构。 在虚页结构中，pn代表虚页号，因为共10个虚页，所以pn的取值范围是0—9。pfn代表实页号，当一虚页未装入实页时，此项值为-1；当该虚页已装入某一实页时，此项值为所装入的实页的实页号pfn。time项在FIFO算法中不使用，在LRU中用来存放对该虚页的最近访问时间。 在实页结构中中，pn代表虚页号，表示pn所代表的虚页目前正放在此实页中。pfn代表实页号，取值范围（0—n-1）由动态指派的实页数n所决定。next是一个指向实页结构体的指针，用于多个实页以链表形式组织起来，关于实页链表的组织详见下面第4点。 2．关于缺页次数的统计 为计算命中率，需要统计在20次的虚页访问中命中的次数。为此，程序应设置一个计数器count，来统计虚页命中发生的次数。每当所访问的虚页的pfn项值不为-1，表示此虚页已被装入某实页内， 此虚页被命中，count加1。最终命中率=count/20*100%。 3．LRU算法中“最近最久未用”页面的确定 为了能找到“最近最久未用”的虚页面，程序中可引入一个时间计数器countime，每当要访问 一个虚页面时，countime的值加1，然后将所要访问的虚页的time项值设置为增值后的当前 页式虚拟存储管理中地址转换和缺页中断实验报告一．实验目的 1．深入了解页式存储管理如实现地址转换； 2．进一步认识页式虚拟存储管理中如处理缺页中断。 二．实验仪器 PC、windows操作系统、Visual C++6.0 三．实验原理 编写程序完成页式存储管理中地址转换过程和模拟缺页中断的处理。实验具体包括：首先对给定的地址进行地址转换工作，若发生缺页则先进行缺页中断处理，然后再进行地址转换；最后编写主函数对所做工作进行测试。 四．实验步骤 代码一 #include 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 m; //作业在主存中的主存块块数 int page_length;//页表实际长度 int p[length];//存放在主存中页的页号 int head;//主存中页号队列头指针 page_interrupt(lnumber) //缺页中断 int lnumber; { int j; printf("发生缺页中断* %d\n",lnumber); j=p[head];//淘汰页的页号 p[head]=lnumber; //新装入的页号 head=(head+1) %m; if (page[j].write==1) //如果该页被修改过 printf("将页%d写回磁盘第%d块\n",j,page[j].dnumber);//输出页号page[j].flag=0; //该页不在主存，执行缺页中断，将标志改为不在主存 page[lnumber].pnumber=page[j].pnumber; //使j转去执行缺页中断 page[lnumber].flag=1;//将所需页重新调入存 page[lnumber].write=0;//将标志改为未被修改过 printf("淘汰主存%2d 中的页数%2d,从磁盘第%d 块中调入 实验3请求调页存储管理方式的模拟 1实验目的 通过对页面、页表、地址转换和页面置换过程的模拟，加深对请求调页系统的原理和实现过程的理解。 2实验内容 （1）假设每个页面中可存放10条指令，分配给一作业的内存块数为4。 （2）模拟一作业的执行过程。该作业共有320条指令，即它的地址空间为32页，目前它的所有页都还未调入内存。在模拟过程中，如果所访问的指令已经在内存中，则显示其物理地址，并转下一条指令。如果所访问的指令还未装入内存，则发生缺页，此时需记录缺页的次数，并将相应页调入内存。如果4个内存块中均已装入该作业，则需进行页面置换。最后显示其物理地址，并转下一条指令。在所有320条指令执行完毕后，请计算并显示作业运行过程中发生的缺页率。 （3）置换算法：请分别考虑OPT、FIFO和LRU算法。 （4）作业中指令的访问次序按下述原则生成： ?50%的指令是顺序执行的。 ?25%的指令是均匀分布在前地址部分。 ?25%的指令时均匀分布在后地址部分。 代码： package mainDart; import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.Random; public class FIFO { private static int times=0; //记录置换内存页面的次数 /** * 随机产生0~319之间的数 * 产生320条指令 * * @return 包含320条指令的数组 */ public static int[] productNumber() { int order[] = new int[320]; //数组存储的数字表示指令 Random rand = new Random(); for(int i=0;i<320;i++) { if(i%4==0) { 一、目的和要求 1、设计目的 通过请求页式存储管理中页面置换算法模拟设计，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。 2、设计要求 根据模拟的页式管理设计，掌握在页式存储管理中最基本的三种页面调度算法FIFO、LRU以及OPT。但在三种算法中均要求在调度程序中产生的页面序列是随机产生的，而不是人为的输入，在执行时只需改变页面的大小及内存容量就可以得到不同的页面序列，另外还需要说明随机的性能和其性能可能对算法的影响，并对随机性要有一定的参数控制能力。此外，计算并输出FIFO、LRU以及OPT算法在不同内存容量下的命中率。 根据方法的执行过程，编写一个解决上述问题的程序，显示访问每个值页面中的值。 具体参数：访问串的长度，访问串，页面个数。 分别用3种不同的方法实现页面的置换，并输出相关信息。 二、设计思路及过程 1、概要设计 1.1 问题概述 根据三种不同的置换算法，依据其不同的算法方式，分别计算该算法在不同情况下的命中率，并显示各页面的变化情况。 1.2 内容分析 对于该课程设计中模拟的页式存储管理的页面置换过程，只要掌握其中最基本的三种算法，包括FIFO、LRU及OPT。但最重要的一点就是要求产生随机 序列，所以在编写程序时要采用控制产生随机值的种子数函数，如此能产生随机的访问序列。另外，不能在执行完一次操作后就只能进行另外一种算法的操作，必须还要有更加详细的操作，比如：是否要重新得到新序列？还是要不改变访问序列而只改变访问串的内存容量？抑或是不操作就退出该算法以进行下一种调度算法？因此，在执行完每次操作后都必须要有提示语，看是否进入更细节的操作，还是退出本次算法的操作以进入下一种算法的调度。 2、过程设计 2.1模块设计 在下图的主模块设计图中，只注重描绘了页式存储管理的三种主要算法，未描绘出细节部分。其中，在执行每种算法时都会要求输入你所需要的访问串长度、随机值以及同一种算法的不同内存容量，如此就可以得出不同的命中率。另外，在执行完该操作后又会出现三条提示语，是重新得到新序列？还是不改变访问序列只改变访问串的内存容量？抑或是不操作退出以进行下一种调度算法？这些在下图中都未一一实现。 =2.2 算法原理分析 要学成功实现算法，首先要知道各个方法是怎么做的，即原理是怎样的，下面是三种算法的原理。 FIFO算法是先进先出，当当前内存中没有正要访问的页面时，置换出最先进来的页面。 LRU算法是最近最久未使用，当当前内存中没有正要访问的页面时，置换出在当前页面中最近最久没有使用的页面。 OPT算法是未来最远出现，当当前内存中没有正要访问的页面时，置换出当前页面中在未来的访问页中最远出现的页面或再也不出现的页面。 2.3 程序流程图 本次课程设计的主要流程是3种置换算法的流程图，本人负责OPT，流程图如下所示： 课程设计 课程设计名称：计算机操作系统课程设计 专业班级：计算机科学与技术班 学生姓名： 学号： 指导教师： 课程设计时间： 2010.12.20 ～ 2010.12.24 计算机科学与技术专业课程设计任务书 一需求分析 请求调页存储管理方式的模拟是基于LRU算法的设计而设计的，通过学习计算机操作系统中的请求调页存储管理方式的几种算法，我选择了最近最久未使用算法即LRU算法实现请求调叶存储管理，通过具体的程序来模仿LRU的工作机制。二概要设计 1．数据结构 依据给定的数据信息,数组必须以结构体实现,结构类型的层次结构如下: typedef struct BLOCK//声明一种新类型——物理块类型 { int pagenum;//页号 int accessed;//访问字段，其值表示多久未被访问 }BLOCK; 2．函数原型清单: Void main();//主函数 void init(int Bsize); //程序初始化函数 int findExist(int curpage);//查找物理块中是否有该页面 int findSpace(int Bsize);//查找是否有空闲物理块 int findReplace();//查找应予置换的页面 void display(int Bsize);//显示 void suijishu(int r);//产生320条随机数,显示并存储到temp[320] void pagestring();//显示调用的页面队列 void LRU(int Bsize);// LRU算法 3．全局变量： int Bsize; int pc;//程序计数器，用来记录指令的序号 int n;//缺页计数器，用来记录缺页的次数段式虚拟存储管理
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