虚拟存储器
一、实习内容
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。
二、实习目的
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。通过本实习帮助同学理解在分页式存储管理中怎样实现虚拟存储器。
三、实习题目
本实习有三个题，其中第一题必做，第二、第三题中可任选一个。所需输入数据直接从文件中读取。
第一题：模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。
[提示]：
(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，页表的格式为：
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数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。按计算出的绝对地址可以取到操作数，完成一条指令的执行。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，由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。
(4) 假定主存的每块长度为128个字节；现有一个共七页的作业，其中第0页至第3页已经装入主存，其余三页尚未装入主存；该作业的页表为：
如果作业依次执行的指令序列为：
运行设计的地址转换程序，显示或打印运行结果。因仅模拟地址转换，并不模拟指令的执行，故可不考虑上述指令序列中的操作。
第二题：用先进先出（FIFO）页面调度算法处理缺页中断。
[提示]：
(1) 在分页式虚拟存储系统中，当硬件发出“缺页中断”后，引出操作系统来处理这个中断事件。如果主存中已经没有空闲块，则可用FIFO页面调度算法把该作业中最先进入主存的一页调出，存放到磁盘上。然后再把当前要访问的页装入该块。调出和装入后都要修改页表中对应页的标志。
(2) FIFO页面调度算法总是淘汰该作业中最先进入主存的那一页，因此可以用一个数组
来表示该作业已在主存的页面。假定作业被选中时，把开始的m个页面装入主存，则数组
的元素可定为m个。例如：
P[0]，P[1]…，P[m-1]
其中每一个P[i] (I=0, 1, …, m-1) 表示一个在主存中的页面号。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，应淘汰的页在数组中的位置，K的初值为“0”。
当产生缺页中断后，操作系统选择P[k]所指出的页面调出，然后执行：
P[k]：=要装入页的页号
k：= (k+1) mod m
再由装入程序把要访问的一页信息装入到主存中。重新启动刚才那条指令执行。
(3) 编制一个FIFO页面调度程序，为了提高系统效率，如果应淘汰的页在执行中没有修改过，则可不必把该页调出（因在磁盘上已有副本）而直接装入一个新页将其覆盖。因此在页表中增加是否修改过的标志，为“1”表示修改过，为“0”表示未修改过，格式为：
由于是模拟调度算法，所以，不实际地启动调出一页和装入一页的程序，而用输出调出的页号和装入的页号来代替一次调出和装入的过程。
把第一题中程序稍作改动，与本题结合起来，FIFO页面调度模拟算法图。
(4) 如果一个作业的副本已在磁盘上，在磁盘上的存放地址以及已装入主存的页和作业依次执行的指令序列都同第一题中（4）所示。于是增加了“修改标志”后的初始页表为：
按依次执行的指令序列，运行你所设计的程序，显示或打印每次调出和装入的页号，以及执行了最后一条指令后的数组P的值。
(5) 为了检查程序的正确性，可再任意确定一组指令序列，运行设计的程序，核对执行的结果。
FIFO页面调度模拟算法
第三题：用最近最少用（LRU）页面调度算法处理缺页中断。
[提示]：
(1) 在分页式虚拟存储系统中，当硬件发出“缺页中断”后，引出操作系统来处理这个中断事件。如果主存中已经没有空闲块，则可用LRU页面调度算法把该作业中距现在最久没有被访问过的一页调出，存放到磁盘上。然后再把当前要访问的页装入该块。调出和装入后都要修改页表中对应页的标志。
(2) LRU页面调度算法总是淘汰该作业中距现在最久没被访问过的那页，因此可以用一个数组来表示该作业已在主存的页面。数组中的第一个元素总是指出当前刚访问的页号，因此最久没被访问过的页总是由最后一个元素指出。如果主存只有四块空闲块且执行第一题中
提示（4）假设的指令序列，采用LRU页面调度算法，那么在主存中的页面变化情况如下：
汰页所占的主存块中，页号登记到数组的第一个元素中，重新启动刚才那条指令执行。
(3) 编制一个LRU页面调度程序，为了提高系统效率，如果淘汰的页在执行中没有修改过，则可不必把该页调出。参看第二题中提示（3）。模拟调度算法不实际地启动调出一页和装入一页的程序而用输出调出的页号和装入的页号来代替。把第一题中程序稍作改动，与
本题结合起来，LRU页面调度模拟算法如图。
LRU页面调度模拟算法
(4) 按第一题中提示（4）的要求，建立一张初始页表，页表中为每一页增加“修改标志”位（参考第二题中提示（4））。然后按依次执行的指令序列，运行设计的程序，显示或打印每次调出和装入的页号，以及执行了最后一条指令后数组中的值。
(5) 为了检查程序的正确性，可再任意确定一组指令序列，运行设计的程序，核对执行的结果。
四、实习报告
(1) 实习题目（第二题或第三题）。
(2) 程序中使用的数据结构及符号说明。
(3) 打印一份源程序并附上注释。
(4) 打印初始页表、每次调出（要调出一页时）和装入的页号、执行最后一条指令后在主存中的页面号（即数组的值）。
五、思考题
如果您有兴趣的话，可把两种页面调度算法都做一下，比较两种调度算法的效率（哪种调度算法使产生缺页中断的次数少）；分析在什么情况下采用哪种调度算法更有利。
实验报告 实验名称：Windows虚拟存储器管理 实验时间：2013年5月27日 实验人员：____郑笑凡___（姓名）__1143041243__（学号）____2011____（年级） 实验目的：1、了解Windows 2000/XP的内存管理机制，掌握页式虚拟存储技术。 2、理解内存分配原理，特别是以页面为单位的虚拟内存分配方法。 3、学会使用Windows 2000/XP下内存管理的基本API函数 实验环境：windows xp 实验步骤： 1、下载virtumem.cpp； 2、建立工程，将virtumen.cpp加入； 3、编译工程，观察结果，确信六种状态都出现至少一次，必要时可改程 序，方便观察结果； 4、看懂程序，按要求另写一段小程序； 5、编译，执行，观察结果。 6，总结。 实验陈述： 1、基础知识： pagefile.sys文件的位置在：__安装的系统盘根目录下____________________________________此文件的作用：____实现物理内存的扩展__________________________________________________ 改变此文件大小的方法:右击”我的电脑”,依次选择”属性”—“高级”—“性能选项”— “更改”_______________________________________ 虚拟地址空间中的页面分为：提交页面，保留页面，空闲页面 页面的操作可以分为：保留、提交、回收、释放、加锁 2、编程准备. 页面属性是在结构体MEMORY_BASIC_INFORMATION_的字段AllocationProtect 和字段中Protect体现出来的。 简述VirtualFree,VirtualPtotect,VirtualLock,VirtualUnlock,VirtualQuery的作用：_ VirtualFree：__释放虚存___________________________________________________ VirtualPtotect：_保留虚存_________________________________________________ VirtualLock：___加锁虚存_________________________________________________ VirtualUnlock：_解锁虚存________________________________________________ VirtualQuery：____查询虚存_______________________________________________ 3、编程 1）将virtumem.cpp加入工程，编译，执行。 是否能编译成功？是 请描述运行结果：
实验三存储管理实验 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】
实验三存储管理实验 一. 目的要求： 1、通过编写和调试存储管理的模拟程序以加深对存储管理方案的理解。熟悉虚存管理的各种页面淘汰算法。 2、通过编写和调试地址转换过程的模拟程序以加强对地址转换过程的了解。二．实验内容： 1、设计一个固定式分区分配的存储管理方案，并模拟实现分区的分配和回收过程。 可以假定每个作业都是批处理作业，并且不允许动态申请内存。为实现分区的分配和回收，可以设定一个分区说明表，按照表中的有关信息进行分配，并根据分区的分配和回收情况修改该表。 算法描述： 本算法将内存的用户区分成大小相等的四个的分区，设一张分区说明表用来记录分区，其中分区的表项有分区的大小、起始地址和分区的状态，当系统为某个作业分配主存空间时，根据所需要的内存容量，在分区表中找到一个足够大的空闲分区分配给它，然后将此作业装入内存。如果找不到足够大的空闲分区，则这个作业暂时无法分配内存空间，系统将调度另一个作业。当一个作业运行结束时，系统将回收改作业所占据的分区并将该分区改为空闲。 算法原程序 #include "" #include "" #include <>
#include <> #define PCB_NUM 5 行程序."); printf("\n\t\t\t0.退出程序."); scanf("%d",&m); switch(m) { case1: break; case0: system("cls"); menu(); break; default: system("cls"); break; } } void paixu(struct MemInf* ComMem,int n) { int i,j,t; for(j=0; j
实验三虚拟存储管理 实验性质：验证 建议学时：3 实验目的： 存储管理的主要功能之一是合理的分配空间。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方法。 预习内容： 阅读教材《计算机操作系统》第四章，掌握存储器管理相关概念和原理。 实验内容： （1）通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。指令的地址按下述原则生成： ①50%的指令是顺序执行的； ②25%的指令是均匀分布在前地址部分； ③25%的指令是均匀分布在后地址部分。 具体的实施方法是： ①在[0,319]的指令地址之间随机选取一起点m； ②顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令； ③在前地址[0,m+1]中随机选取一条指令并执行，该指令的地址为m’； ④顺序执行一条指令，其地址为m’+1； ⑤在后地址[m’+2,319]中随机选取一条指令并执行； ⑥重复上述步骤，直至执行320次指令。 （2）将指令序列变换成页地址流。 设：①页面大小为1K； ②用户内存容量为10块到32块； ③用户虚存容量为32K； 在用户虚存中，按每页存放10条指令排列虚存地址，即320条指令在虚存中的存放方式为： 第0条~第9条指令为第0页（对应的虚存地址为[0，9]）； 第10条~第19条指令为第1页（对应的虚存地址为[10，19]）； …… 第310条~第319条指令为第31页（对应的虚存地址为[310，319]）； 按以上方式，用户指令可组成32页。 （3）计算并输出下述各种算法在不同的内存容量下的缺页率。 ①先进先出的算法（FIFO）； ②最近最少使用算法（LRU）； ③最佳淘汰法（OPT）：先淘汰最不常用的页地址； ④最少访问页面算法（LFU）。 缺页率=（页面失效次数）/（页地址流长度）= 缺页中断次数/ 320 在本实验中，页地址流的长度为320，页面失效次数为每次访问相应指令时，该指令所对应的页不在内存的次数。
淮海工学院计算机工程学院实验报告书 课程名：《操作系统原理A 》 题目：虚拟存储器管理 页面置换算法模拟实验 班级：软件*** 学号：20**1228** 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
实验三、存储管理 一、实验目的： ? 一个好的计算机系统不仅要有一个足够容量的、存取速度高的、稳定可靠的主存储器，而且要能合理地分配和使用这些存储空间。当用户提出申请存储器空间时，存储管理必须根据申请者的要求，按一定的策略分析主存空间的使用情况，找出足够的空闲区域分配给申请者。当作业撤离或主动归还主存资源时，则存储管理要收回作业占用的主存空间或归还部分主存空间。主存的分配和回收的实现虽与主存储器的管理方式有关的，通过本实验理解在不同的存储管理方式下应怎样实现主存空间的分配和回收。 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。通过本实验理解在分页式存储管理中怎样实现虚拟存储器。 在本实验中，通过编写和调试存储管理的模拟程序以加深对存储管理方案的理解。熟悉虚存管理的各种页面淘汰算法通过编写和调试地址转换过程的模拟程序以加强对地址转换过程的了解。 二、实验题目： 设计一个可变式分区分配的存储管理方案。并模拟实现分区的分配和回收过程。 对分区的管理法可以是下面三种算法之一：（任选一种算法实现） 首次适应算法 循环首次适应算法 最佳适应算法 三．实验源程序文件名:cunchuguanli.c
执行文件名:cunchuguanli.exe 四、实验分析： 1)本实验采用可变分区管理，使用首次适应算法实现主存的分配和回收 1、可变分区管理是指在处理作业过程中建立分区，使分区大小正好适合作业的需求，并 且分区个数是可以调整的。当要装入一个作业时，根据作业需要的主存量查看是否有足够的空闲空间，若有，则按需要量分割一个分区分配给该作业；若无，则作业不能装入，作业等待。随着作业的装入、完成，主存空间被分成许多大大小小的分区，有的分区被作业占用，而有的分区是空闲的。 为了说明那些分区是空闲的，可以用来装入新作业，必须有一张空闲说明表 ? 空闲区说明表格式如下：? 第一栏 第二栏 其中，起址——指出一个空闲区的主存起始地址，长度指出空闲区的大小。 长度——指出从起始地址开始的一个连续空闲的长度。 状态——有两种状态，一种是“未分配”状态，指出对应的由起址指出的某个长度的区域是空闲区；另一种是“空表目”状态，表示表中对应的登记项目是空白（无效），可用来登记新的空闲区（例如，作业完成后，它所占的区域就成了空闲区，应找一个“空表目”栏登记归还区的起址和长度且修改状态）。由于分区的个数不定，所以空闲区说明表中应有适量的状态为“空表目”的登记栏目，否则造成表格“溢出”无法登记。 2、当有一个新作业要求装入主存时，必须查空闲区说明表，从中找出一个足够大的空闲区。 有时找到的空闲区可能大于作业需要量，这时应把原来的空闲区变成两部分：一部分分
操作系统实验 实验五虚拟存储器管理 学号1115102015 姓名方茹 班级11 电子A 华侨大学电子工程系
实验五虚拟存储器管理 实验目的 1、理解虚拟存储器概念。 2、掌握分页式存储管理地址转换盒缺页中断。 实验内容与基本要求 1、模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。 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。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。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。 2、用先进先出页面调度算法处理缺页中断。 FIFO 页面调度算法总是淘汰该作业中最先进入主存的那一页，因此可以用一个数组来表示该作业已在主存的页面。假定作业被选中时， 把开始的 m 个页面装入主存，则数组的元素可定为m 个。 实验报告内容 1、分页式存储管理和先进先出页面调度算法原理。 分页式存储管理的基本思想是把内存空间分成大小相等、位置固定
OS实验指导四——虚拟存储器管理
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 2
《操作系统》实验指导四 开课实验室：A207、A209 2015/11/23 、2015/11/24 实验类型设计 实验项目（四）虚拟存储器管理实验 实验学时 4 一、实验目的 设计一个请求页式存储管理方案，并编写模拟程序实现。 二、设备与环境 1. 硬件设备：PC机一台 2. 软件环境：安装Windows操作系统或者Linux操作系统，并安装相关的程序开发 环境，如C \C++\Java 等编程语言环境。 三、实验要求 1) 上机前认真复习页面置换算法，熟悉FIFO算法和LRU页面分配和置换算法的过程； 2) 上机时独立编程、调试程序； 3) 根据具体实验要求，完成好实验报告（包括实验的目的、内容、要求、源程序、实例运行 结果截图）。 四、实验内容 1、问题描述： 设计程序模拟FIFO和LRU页面置换算法的工作过程。假设内存中分配给每个进程的最小物理块数为m，在进程运行过程中要访问的页面个数为n，页面访问序列为P1, … ,Pn，分别利用不同的页面置换算法调度进程的页面访问序列，给出页面访问序列的置换过程，并计算每种算法缺页次数和缺页率。 2、程序具体要求如下： 编写程序用来模拟虚拟页式存储管理中的页面置换 要求： 1)快表页面固定为4块 2)从键盘输入N个页面号 3)输出每次物理块中的页面号和缺页次数，缺页率 4)实现算法选择
3、程序流程图 3、源程序参考： （1）FIFO 算法部分 #include "stdio.h" #define n 12 #define m 4 void main() { int ym[n],i,j,q,mem[m]={0},table[m][n]; char flag,f[n]; printf("请输入页面访问序列\n "); for(i =0;i 操作系统实验三 实验报告 姓名李旦兰学号20083308 班级软件0802 指导教师那俊 实验名称存储管理 开设学期2010 – 2011第一学期 评定成绩 评定人签字 评定日期 东北大学软件学院2010年11月 实验三_B 一．实验题目 用高级语言编写和调试一个简单的文件系统，模拟文件管理的工作过程。（题目四）二．实验目的 (1)进一步认识虚拟存储器的工作原理; (2)进一步认识文件系统的内部功能以及内部实现; (3)深入理解操作系统中文件系统的理论知识,加深对教材中的重要算法的理解; (4)掌握操作系统的原理及实现方法,提高综合运用各专业课知识的能力。 三．实验内容以及要求 （1）设计一个支持n个用户的简单二级文件系统，每个用户可保存m个文件，用户在一次运行中只能打开一个文件； （2）采用二级或二级以上的多级文件目录管理； （3）对文件应设置存取控制保护方式，如“只能执行”、“允许读”、“允许写等”；（4）系统的外部特征应接近于真实系统，可设置下述文件操作命令：Login 用户登录；Dir 列出文件目录； Create 建立文件；Delete 删除文件； Read 读文件；Write 写文件；Open 打开文件； Close 关闭文件。 （5）通过键盘使用该文件系统，系统应显示操作命令的执行结果。 四．实验环境 操作系统：Windows 7 开发语言：VC++ 开发工具：Microsoft Visual C++ 2008 Express Edition 五．程序设计思想 通过阅读实验指导书，整理出实验大体的思路，确定实体以及它们之间的关系。实体关系有三张表(主文件目录，用户文件目录以及打开文件目录)、命令服务和用户构成。用户负责输入命令。命令服务实现命令检查以及调用相关模块执行相应的命令功能。 （1）主文件目录（MFD），包括用户名和文件目录指针； struct user MFD[1]={{"0",0}};//MFD(用户名文件目录指针) （2）用户文件目录（UFD），包括文件名、保护码以及文件长度； struct file UFD[10];//用户文件目录（UFD-文件名保护码文件长度） （3）打开文件目录（AFD），包括打开文件名、打开保护码以及读写指针。采用数组形式存储打开的文件，数组每个元素保存一个打开文件的信息 struct file AFD[5]={{"0",0,0,0},{"0",0,0,0},{"0",0,0,0},{"0",0,0,0},{"0",0,0,0}};//运行文件目录（AFD）——一次运行用户可以打开个文件 在此模拟文件管理系统中可以实现的操作有： （1）用户登录：login,用户通过登录从而使用系统功能； （2）创建文件：create，创建一个指定名字的新文件，即在目录中增加一项，不考虑 实验三存储管理 实验目的 1) 加深对存储管理的理解； 2) 掌握几种页面置换算法； 3) 通过实验比较各种置换算法的优劣。 实验要求 1) 编写程序完成实验内容； 2) 对测试数据进行分析； 3) 撰写实验报告。 实验内容 1) 定义为进程分配的物理块数； 2）定义进程运行所需访问的页面号； 3）定义页的结构； 4）模拟两种页面置换算法； 5）计算页面置换算法的命中率； 6）比较两种算法的优劣。 实验原理 1.虚拟存储 基于局部性原理，应用程序在运行之前，没有必要全部装入内存，仅须将那些当前要运行的少数页面或段先装入内存便可运行，其余部分暂留在盘上。程序在运行时，如果它所要访问的页(段)已调入内存，便可继续执行下去；但如果程序所要访问的页(段)尚未调入内存(称为缺页或缺段)，此时程序应利用OS所提供的请求调页(段)功能，将它们调入内存，以使进程能继续执行下去。如果此时内存已满，无法再装入新的页(段)，则还须再利用页(段) 的置换功能，将内存中暂时不用的页(段)调至盘上，腾出足够的内存空间后，再将要访问的页(段)调入内存，使程序继续执行下去。 2.页面置换算法 1）最佳(Optimal)置换算法 最佳置换算法是由Belady于1966年提出的一种理论上的算法。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。采用最佳置换算法，通常可保证获得最低的缺页率。但由于人们目前还无法预知一个进程在内存的若干个页面中，哪一个页面是未来最长时间内不再被访问的，因而该算法是无法实现的，但可以利用该算法去评价其它算法。 2）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，LRU置换算法是选择最近最久未使用的页面予以淘汰。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t，当须淘汰一个页面时，选择现有页面中其t值最大的，即最近最久未使用的页面予以淘汰。 LRU置换算法虽然是一种比较好的算法，但要求系统有较多的支持硬件。为了了解一个进程在内存中的各个页面各有多少时间未被进程访问，以及如何快速地知道哪一页是最近最久未使用的页面，须有两类硬件之一的支持：寄存器或栈。 a）寄存器 为了记录某进程在内存中各页的使用情况，须为每个在内存中的页面配置一个移位寄存器，可表示为R=R n-1R n-2R n-3… R2R1R0当进程访问某物理块时，要将相应寄存器的R n-1位置成1。此时，定时信号将每隔一定时间(例如100 ms)将寄存器右移一位。如果我们把n位寄存器的数看做是一个整数，那么，具有最小数值的寄存器所对应的页面，就是最近最久未使用的页面。 b）栈 可利用一个特殊的栈来保存当前使用的各个页面的页面号。每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，而栈底则是最近最久未使用页面的页面号。 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 实验四虚拟存储器管理实验 ◆实验名称：存储器管理实验 ◆仪器、设备：计算机 ◆参考资料：操作系统实验指导书 ◆实验目的： 设计一个请求页式存储管理方案，并编写模拟程序实现。 ◆实验内容： 编写程序用来模拟虚拟页式存储管理中的页面置换 要求： 1.快表页面固定为4块 2.从键盘输入N个页面号 3.输出每次物理块中的页面号和缺页次数，缺页率 ◆实验原理、数据（程序）记录： #define PAGES 4 /* 物理块数*/ #define N 16 /*最多输入的页面号*/ int pages[PAGES][2]; /*page[i][0]保存页面号，page[i][1]保存页面存留时间*/ int queue[N]; /*页面号数组*/ void initialise(void) /*------------初始化：快表和页面号数组++++++++++++++*/ { int i; for(i=0;i . 操作系统实验 实验五虚拟存储器管理 学号 1115102015 姓名方茹 班级 11电子A 华侨大学电子工程系 实验五虚拟存储器管理 实验目的 1、理解虚拟存储器概念。 2、掌握分页式存储管理地址转换盒缺页中断。 实验内容与基本要求 1、模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。 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。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。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。 2、用先进先出页面调度算法处理缺页中断。 FIFO 页面调度算法总是淘汰该作业中最先进入主存的那一页，因此可以用一个数组来表示该作业已在主存的页面。假定作业被选中时， 把开始的m 个页面装入主存，则数组的元素可定为m 个。 实验报告内容 1、分页式存储管理和先进先出页面调度算法原理。 分页式存储管理的基本思想是把内存空间分成大小相等、位置固定 存储器管理（二） 一、目的 本课题实验的目的是，使学生实验存储器管理系统的设计方法；加深对所学各种存储器管理方案的了解；要求采用一些常用的存储器分配算法，设计一个存储器管理模拟系统并调试运行。 二、题目 存储器管理 三、要求及提示 1、要求采用一种常用的存储器分配算法，设计一个存储器管理模拟系统。允许进行 多次的分配和释放，并可向用户反馈分配和释放情况及当前内存的情况；采用 “命令菜单”选择和键盘命令输入的会话方式，根据输入请求调用分配模块， 或回收模块，或内存查询模块，或最终退出系统。 2、编程实现。 3、工具：C语言或其它高级语言 4、实验时间：3学时 四、实验报告 1、写出存储器管理的思想。 2、画出算法流程图和设置的数据结构。 3、写出调试程序出现的问题及解决的方法。 4、打印实验报告及程序清单。 5、报告给出测试的结果。 五、范例 采用可变分区存储器管理方案的模拟系统。 1、问题描述 该模拟系统的外部特性与真实系统基本一样。存储分配算法采用首次适应法。用“拼，接”和“紧凑”技术来处理存储器碎片。 2、算法 存储分配算法采用首次适应（FF）法。根据指针freep查找自由链，当找到第一块可满足分配请求的空闲区时便分配之。当某空闲区被分配后的剩余空闲区空间大于规定的碎片最小容量min时，则形成一个较小的空闲区留在自由链中。 回收时，根据MAT将指定分区链入自由链。若该分区有前邻或后邻空闲分区，则将他们拼接成一块加大的空闲区。 当某个分配请求不能被满足，但此时系统中所有碎片总量满足分配请求的容量时，系统立即进入内存“紧凑”以消除碎片。即将各作业占用区集中下移到用户内存区的下部（高地址部分），形成一片连接的作业区，而在用户内存区的上部形成一块较大的空闲区。然后再进行分配。 本系统的主要程序模块包括：分配模块ffallocation，回收模块ffcolection，紧凑模块coalesce及命令处理模块menu。Menu用以模拟系统的输入，采用“命令菜单”选择和键盘命令输入的会话方式，根据输入请求调用分配模块，或回收模块，或内存查询模块，或最终退出系统。 系统的主流程如图3所示。 3、数据结构 （1）自由链与区头。内存空闲区采用自由链结构。链首由freep指向，链中各个空 实验9、Windows虚拟内存 1 背景知识 在Windows环境下，4GB的虚拟地址空间被划分成两个部分：低端2GB提供给进程使用，高端2GB提供给系统使用。这意味着用户的应用程序代码，包括DLL以及进程使用的各种数据等，都装在用户进程地址空间内(低端2GB)。用户过程的虚拟地址空间也被分成三部分： 1)虚拟内存的已调配区(committed)：具有备用的物理内存，根据该区域设定的访问权限，用户可以进行写、读或在其中执行程序等操作。 2)虚拟内存的保留区(reserved)：没有备用的物理内存，但有一定的访问权限o 3)虚拟内存的自由区(free)：不限定其用途，有相应的PAGE_NOACCESS权限。 与虚拟内存区相关的访问权限告知系统进程可在内存中进行何种类型的操作。例如，用户不能在只有PAGE_READONLY权限的区域上进行写操作或执行程序；也不能在只有PAGE_EXECUTE权限的区域里进行读、写操作。而具有PAGE_NOACCESS权限的特殊区域，则意味着不允许进程对其地址进行任何操作。 在进程装入之前，整个虚拟内存的地址空间都被设置为只有PAGE_NOACCESS权限的自由区域。当系统装入进程代码和数据后，才将内存地址的空间标记为已调配区或保留区，并将诸如EXECUTE、READWRITE和READONLY的权限与这些区域相关联。 如表1所示，给出了MEMORY_BASIC_INFORMATION的结构，此数据描述了进程虚拟内存空间中一组虚拟内存页面的当前状态，其中State项表明这些区域是否为自由区、已调配区或保留区；Protect项则包含了Windows系统为这些区域添加了何种访问保护；Type项则表明这些区域是可执行图像、内存映射文件还是简单的私有内存。 实验三动态分区存储管理方式的主存分配回收 一、实验目的 深入了解动态分区存储管理方式主存分配回收的实现。 二、实验预备知识 存储管理中动态分区的管理方式。 三、实验内容 编写程序完成动态分区存储管理方式的主存分配回收的实现。实验具体包括： 首先确定主存空间分配表；然后采用最优适应算法完成主存空间的分配和回收；最后编写主函数对所做工作进行测试。 四、提示与讲解 动态分区管理方式预先不将主存划分成几个区域，而把主存除操作系统占用区域外的空间看作一个大的空闲区。当作业要求装入主存时，根据作业需要主存空间的大小查询主存内各个空闲区，当从主存空间中找到一个大于或等于该作业大小的主存空闲区时，选择其中一个空闲区，按作业需求量划出一个分区装入该作业。作业执行完后，它所占的主存分区被收回，成为一个空闲区。如果该空闲区的相邻分区也是空闲区，则需要将相邻空闲区合并成一个空闲区。 实现动态分区的分配和回收，主要考虑的问题有三个： 第一，设计记录主存使用情况的数据表格，用来记录空闲区和作业占用的区域；第二，在设计的数据表格基础上设计主存分配算法；第三，在设计的数据表格基础上设计主存回收算法。 首先，考虑第一个问题： 设计记录主存使用情况的数据表格，用来记录空闲区和作业占用的区域。 由于动态分区的大小是由作业需求量决定的，故分区的长度是预先不固定的，且分区的个数也随主存分配和回收变动。总之，所有分区情况随时可能发生变化，数据表格的设计必须和这个特点相适应。由于分区长度不同，因此设计的表格应该包括分区在主存中的起始地址和长度。由于分配时空闲区有时会变成两个分区： 空闲区和已分分区，回收主存分区时，可能会合并空闲分区，这样如果整个主存采用一张表格记录已分分区和空闲区，就会使表格操作繁琐。主存分配时查找空闲区进行分配，然后填写已分配区表，主要操作在空闲区；某个作业执行完后，将该分区变成空闲区，并将其与相邻的空闲区合并，主要操作也在空闲区。 由此可见，主存的分配和回收主要是对空闲区的操作。这样为了便于对主存空间的分配和回收，就建立两张分区表记录主存使用情况，一张表格记录作业占用分区的“已分配区表”；一张是记录空闲区的“空闲区表”。这两张表的实现方法一般有两种，一种是链表形式，一种是顺序表形式。在实验中，采用顺序表形式，用数组模拟。由于顺序表的长度必须提前固定，所以无论是“已分配区表”还是“空闲区表”都必须事先确定长度。它们的长度必须是系统可能的最大项数，系统运行过程中才不会出错，因而在多数情况下，无论是“已分配区表”还是“空闲区表”都有空闲栏目。已分配区表中除了分区起始地址、长度外，也至少还要有一项“标志”，如果是空闲栏目，内容为“空”，如果为某个作业占用分区的登记项，内容为该作业的作业名；空闲区表中除了分区起始地址、长度外，也要有一项“标志”，如果是空闲栏目，内容为“空”，如果为某个空闲区的登记项，内容为“未分配”。在实际系统中，这两表格的内容可能还要多，实验中仅仅使用上述必须的数据。为此,“已分配区表”和“空闲区表”在实验中有如下的结构定义。 已分配区表的定义： #define n 10//假定系统允许的最大作业数量为n struct {float address;//已分分区起始地址 实验三虚拟存储器管理 一、实验目的 为了使大的进程(其地址空间超过主存可用空间)或多个进程的地址空间之和超过实际主存空间时，仍能运行，引入了虚拟存储器的概念。使进程的一部分地址空间在主存，另一部分在辅存，由操作系统实现多级存储器的自动管理，实现主存空间的自动覆盖。模拟请求分页虚拟存储器管理技术中的硬件地址变换、缺页中断以及页式置换算法，处理缺页中断。 通过本实验，使学生对请求分页存储管理的概念有一个清楚的理解。 二、实验内容 1、模拟请求分页存储管理中的硬件地址变换的过程 (1)请求分页虚拟存储器管理技术是把进程地址空间的全部信息存放在磁盘对换区上。当进程被选中运行时，先把进程的开始几页装入主存并启动运行。为此在为进程建立页表时，应说明哪些页已在主存，哪些页不在主存。页表的格式如表1 所示。 在表1中 ①"标志位"表示对应页是否已经装入主存的标志: "0"表示对应页未装入主存;"1"表示对应页已装入主存。 ②"主存块号"表示该页对应的主存块号。 ③"修改位"指示该页进主存后是否修改过的标志。 ④"外存地址"表示该页所在的外存地址。 设计一个主存分块表，假定分配给进程的主存块数为M，且该进程开始的M页已装入主存。 (2)进程执行时，指令中的逻辑地址指出指令或操作数的地址中的页号和页内地址。硬件地址转换机构按页号查页表。 ①若该页的有效位为"1" ，表示该页已在主存，从而找到该页对应的主存块号。根据如下的关系式，计算出欲访问的主存地址: 绝对地址=块号×块的长度+页内地址 由于页的大小为2 的整次幕，所以只要将块号与页内地址相拼接，放入主存地址寄存器，形成绝对地址。不去模拟指令的执行，而是输出被转换的地址即可。 ②若该页的有效位为"0" ，对应的页不在主存，由硬件产生缺页中断，转操作系统处理。这里不去设计缺页处理程序，仅输出"*该页号的页不在主存，产生缺页中断"即可，以表示产生了一次缺页中断。 假定主存的每块长度为128个字节。现有一个具有8页的进程，系统为它分配了4 个主存块(即m=4)。其中第0~3页已经装入主存。该进程的页表如表2 所示，进程执行的指令序列如表3 所示，地址变换算法流程如图1所示。 计算机与信息工程学院实验报告 一、实验内容 实验一：模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。 [提示] （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 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 （4）假定主存的每块长度为128个字节；现有一个共七页的作业，其中第0页至第3页已经装入主存，其余三页尚未装入主存；该作业的页表为： （5）运行设计的地址转换程序，显示或打印运行结果。因仅模拟地址转换，并不模拟指令的执行，故可不考虑上述指令序列中的操作。 实验二：用先进先出（FIFO）页面调度算法处理缺页中断。 [提示]： （1）在分页式虚拟存储系统中，当硬件发出“缺页中断”后，引出操作系统来处理这个中断事件。如果主存中已经没有空闲块，则可用FIFO页面调度算法把该作业中最先进入主存的一页调出，存放到磁盘上，然后再把当前要访问的页装入该块。调出和装入后都要修改页表页表中对应页的标志。 （2）FIFO页面调度算法总是淘汰该作业中最先进入主存的那一页，因此可以用一个数组来表示该作业已在主存的页面。假定作业被选中时，把开始的m个页面装入主存，则数组的元素可定为m个。例如： P[0]，P[1]，….，P[m-1] 其中每一个P[i]（i=0，1，….，m-1）表示一个在主存中的页面号。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，应淘汰的页在数组中的位置，k的初值为“0”。 当产生缺页中断后，操作系统选择P[k]所指出的页面调出，然后执行： P[k]:=要装入页的页号 k:=(k+1) mod m 再由装入程序把要访问的一页信息装入到主存中。重新启动刚才那条指令执行。 实习五虚拟存储器 一、实习内容 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。 二、实习目的 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。通过本实习帮助同学理解在分页式存储管理中怎样实现虚拟存储器。 三、实习题目 本实习有三个题，其中第一题必做，第二、第三题中可任选一个。 第一题：模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。 [提示]： (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，页表的格式为： 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数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。按计算出的绝对地址可以取到操作数，完成一条指令的执行。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，由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5-1。 (4) 假定主存的每块长度为128个字节；现有一个共七页的作业，其中第0页至第3操作系统实验三(题目四)实验报告_李旦兰_20083308
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