模拟分页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断 选择页面调度算法处理缺页中断

实验四 用先进先出（FIFO ）页面调度算法处理缺页中断1．实验目的深入了解页式存储管理如何实现地址转换；进一步认识页式虚拟存储管理中如何处理缺页中断。

2．实验预备知识页式存储管理中的地址转换的方法；页式虚拟存储的缺页中断处理方法。

3．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作工作进程测试。

假定主存64KB ，每个主存块1024字节，作业最大支持到64KB ，系统中每个作业分得主存块4块。

4．提示与讲解页式存储管理中地址转换过程很简单，假定主存块的大小为2n 字节，主存大小为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，过程如图1所示。

图1 页式存储管理系统地址转换示意图地址转换是由硬件完成的，实验中使用软件程序模拟地址转换过程，模拟地址转换的流程图如图2所示（实验中假定主存64KB ，每个主存块1024字节，逻辑地址即n=10,m'=16，物理地址中块号6位、块内地址10位；作业最大64KB，即m=16，逻辑地址中页号6位、页内地址10位）。

在页式虚拟存储管理方式中，作业信息作为副本放在磁盘上，作业执行时仅把作业信息的部分页面装入主存储器，作业执行时若访问的页面在主存中，则按上述方式进行地址转换，若访问的页面不在主存中，则产生一个“缺页中断”，由操作系统把当前所需的页面装入主存储器后，再次执行时才可以按上述方法进行地址转换。

页式虚拟存储管理方式中页表除页号和该页对应的主存块号外，至少还要包括存在标志（该页是否在主存），磁盘位置（该页的副本在磁盘上的位置）和修改标志（该页是否修改过）。

模拟页式虚拟存储管理中硬件的地址转心得体会
页式虚拟存储管理中,硬件的地址转换过程是非常复杂的,需要多个硬件组件的协同工作来完成。

在我的学习中,我有一些体会和心得体会：
首先,在页式虚拟存储管理中,硬件的地址转换是通过页表实现的。

每个进程都有自己的页表,其中包含了虚拟页与物理页之间的对应关系。

当进程需要访问内存时,其虚拟地址会被分为页号和页内偏移量两部分,而页号就是用来查找页表中对应的物理页号的。

其次,在硬件地址转换的过程中,还需要使用到一个称为MMU（内存管理单元）的硬件组件。

MMU的作用就是将虚拟地址转换为物理地址。

它会在页表中查找想要访问的虚拟页号对应的物理页号,并使用物理页号和页内偏移量重新构造出物理地址。

最后,在使用页式虚拟存储管理时,还需要注意物理页的分配和清除。

物理页可以被多个进程共享使用,但是在进程结束时,需要及时清除对应的物理页帧,以确保不会引起内存泄漏和资源浪费。

总之,页式虚拟存储管理中硬件的地址转换过程非常复杂,需要多个硬件组件的协同工作来完成。

正确理解这个过程,并且合理地进行管理和分配物理页,才能保证进程的正常运行。

实验四页式虚拟存储管理中地址转换和页式中断FIFO一、实验目的深入了解页式存储管理如何实现地址转换；进一步认识页式虚拟存储管理中如何处理缺页中断以及页面置换算法。

二、实验主要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。

实验具体内容包括：首先对给定的地址进行转换工作，若发现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。

假定主存64KB，每个主存块1024字节，作业最大支持到64KB，系统中每个作业分得主存块4块。

三、实验原理1）地址转换过程：首先从逻辑地址中的高位取得页号，然后根据页号查页表，得到块号；然后从逻辑地址中的低位取得页内地址，将块号和页内地址合并即得到物理地址。

2）缺页中断处理根据页号查找页表，判断该页是否在主存储器中，若该页标志位“0”，形成缺页中断。

操作系统让调出中断处理程序处理中断。

四、实验方法与步骤实现地址转换与缺页中断处理，主要考虑三个问题：第一，设计页式虚拟存储管理方式中页表的数据结构；第二，地址转换算法的实现；第三，缺页中断处理算法的实现。

1)设计页表的数据结构页式虚拟存储管理方式中页表除了页号和该页对应的主存块号外，至少还要包括存在标志（该页是否在主存），磁盘位置（该页的副本在磁盘上的位置）和修改标志（该页是否修改过）。

在实验中页表用数组模拟，其数据结构定义如下：struct{int lnumber; //页号int flag; //表示页是否在主存中，“1”表示在，“0”表示不在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2）地址转换算法的实现地址转换是由硬件完成的，实验中使用软件程序模拟地址转换过程。

在实验中，每个主存块1024字节，则块内地址占10位；主存64KB，则主存共64块，即块号占6位；物理地址共占16位；作业最大64KB，则作业最大占64块，即页号占6位，逻辑地址共占16位。

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 (9)7 参考文献 (10)8 附录：源程序清单 (10)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。

燕山大学课程设计说明书课程设计名称：操作系统OS题目：页式存储管理中页面置换（淘汰）的模拟程序班级：计算机应用二班开发小组名称：CAMPUS课题负责人：课题组成员：姓名学号班级自评成绩课题开发日期：2011-1-10至2011-1-14一．概述1目的通过分析、设计和实现页式虚拟存储管理缺页中断的模拟系统，熟悉和掌握请求分页式存储管理的实现过程，重点掌握当请求页面不在内存而内存块已经全部被占用时的替换算法，熟悉常见替换算法的原理和实现过程，并利用替换算法的评价指标——缺页次数和缺页率，来对各种替换算法进行评价比较。

2.主要完成的任务自行输入实际页数、内存可用页面数、存取内存时间、存取快表时间及缺页中断时间，然后由用户随机输入各页面号，模拟系统自动运行出FIFO、LRU、OPT、LFU四种算法的缺页次数、缺页率、命中率、总存取时间、存取平均时间等结果。

3 使用的开发工具（1）使用系统：Windows7（2）使用语言：C++（3）开发工具：Visual C++ 6.04 解决的主要问题设计的结果程序能实现FIFO、OPT、LRU、LFU算法模拟页式存储管理缺页中断，主要能够处理以下的问题：(1) 用户能够输入给作业分配的内存块数；(2) 用户能够输入给定的页面，并计算发生缺页的次数以及缺页率；(3) 程序可由用户输入页面序列；(4)系统自动计算总存取时间及平均存取时间。

二使用的基本概念和原理1.概念FIFO即先进先出页面置换算法，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。

LRU 即最近最久未使用页面置换算法，该算法选择最近最久未使用的页面予以淘汰。

OPT 即最佳值换算法，其选择淘汰的页面是在最长时间内不再被访问的页面。

LFU 即最近使用最少页面置换算法，其淘汰的页面是最近一段时间内使用最少的页面。

缺页中断存取页面时页面不在内存中需从外存调入的现象。

缺页次数即在存取页面过程中发生缺页中断的次数。

页式虚拟FIFO存储管理缺页中断的模拟算法FIFO一课程设计目的与功能1目的通过分析、设计和实现页式虚拟存储管理缺页中断的模拟系统，熟悉和掌握请求分页式存储管理的实现过程，重点掌握当请求页面不在内存而内存块已经全部被占用时的替换算法，熟悉常见替换算法的原理和实现过程，并利用替换算法的评价指标——缺页次数和缺页率，来对各种替换算法进行评价比较。

设计并实现出的结果程序要能够很好地显示页面调入和替换详细信息。

2初始条件（1）预备内容：阅读操作系统的内存管理章节内容，了解有关虚拟存储器、页式存储管理等概念，并体会和了解缺页和页面置换的具体实施方法。

（2）实践准备：掌握一种计算机高级语言的使用3 开发环境（1）使用系统：Windows XP（2）使用语言：C++（3）开发工具：Visual C++ 6.04功能设计的结果程序能实现OPT、FIFO、随机淘汰算法模拟页式存储管理缺页中断，主要能够处理以下的情形：(1) 用户能够输入给作业分配的内存块数；(2) 用户能够输入给定的页面，并计算发生缺页的次数以及缺页率；(3) 程序可随机生成页面序列，替代用户输入；(4) 缺页时，如果发生页面置换，输出淘汰的页号。

二需求分析，整体功能及设计数据结构或模块说明1 需求分析在纯页式存储管理提高了内存的利用效率，但并不为用户提供虚存，换句话说，当一个用户程序的页数大于当前总空闲内存块数时，系统就不能将该程序装入运行。

即用户程序将受到物理内存大小的限制。

为了解决这个问题，人们提出了能提供虚存的存储管理技术——请求分页存储管理技术和请求分段技术。

本设计实现请求分页管理技术。

请求分页系统是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。

它允许只装入部分页面的程序和数据，便启动运行。

以后，再通过调页功能和页面置换功能，陆续把即将要运行的页面调入内存，同时把暂时不运行的页面换出到外存上。

置换时以页面为单位，为了能实现请求调页和置换功能，系统必须提供必要的硬件支持和相应的软件。

实验模拟页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和用先进先出调度算法处理缺页中断1、实验目的1）理解页式虚拟存储管理中的地址转换。

2）理解用先进先出调度算法如何处理缺页中断。

2、实验原理在页式虚拟存储管理中，如果访问的页面在内存，计算出相应的物理地址，如果访问的页面不在内存，产生缺页中断，将所缺页从外存调入，如果内存没有空间需要将内存的一页淘汰，再将所缺页调入，然后计算出相应的物理地址。

3、实验仪器设备微型计算机、C或Visual C++开发软件4、实验内容与步骤编写程序，模拟页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和用先进先出调度算法处理缺页中断。

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个主存块，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，该作业的页表见下表。

实验步骤1）输入程序2）如果该作业执行的指令序列如下表所示：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、预习及实验报告要求预习页式虚拟存储管理中地址转换和页面置换算法的有关内容。

实验报告要求写出程序的源代码及运行结果。

分析：主存块有4个，物理地址=块号*块长（这里是1024）+块内地址（块内地址=页内地址），若页号不在主存中，则产生缺页中断，根据先进先出原则，今要执行的页号置换最先进入主存的页号，计算得到如下值：5192，8242，9231，1050，5176，5160，8248，9239，1061，5198，8193，8278 012306451246000006666222111111444446222222255555333333331111英文版#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 <conio.h>struct plist{int number; //页号int flag; //标志，如为1表示该页已调入主存，如为0则还没调入。

操作系统实验二〔第一题〕一．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。

二．实验目的在电脑系统总，为了提高主存利用率，往往把辅助存储器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综合可以超出主存的绝对地址空间。

用这种方法扩充的主存储区成为虚拟存储器。

三．实验题目模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。

四．程序清单//// 操作实验二.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。

//#include "stdafx.h"#include<iostream>#include<string>#include<fstream>using namespace std;class ins{private:string ope;long int page;long int unit;public:ins(){ }ins(string o,long int p,long int u):ope(o),page(p),unit(u){}void setope(string o){ ope=o;}void setpage(long int p){ page=p;}void setunit(long int u){ unit=u;}string getope(){return ope;}long int getpage(){return page;}long int getunit(){return unit;}};class work{private:long int Page;int sym;long int inum;long int onum;public:work(){}work(long int P, int s,long int i,long int o):Page(P),sym(s),inum(i),onum(o){} void setPage(long int P){ Page=P;}void setsym( int s){ sym=s;}void setinum(long int i){ inum=i;}void setonum(long int o){ onum=o;}long int getPage(){return Page;}int getsym(){return sym;}long int getinum(){return inum;}long int getonum(){return onum;}};void diaodu(work *w,ins * i,int numofins){ for(int j=0;j<numofins;j++){long int tempofk;long int a =i[j].getpage();for(int k=0;k<7;k++) //7是页表的页数if(w[k].getPage()!=a)continue;else{tempofk=k;break;}if(w[tempofk].getsym()==1)cout<<"绝对地址："<<w[tempofk].getinum()*128+i[j].getunit()<<" "<<"磁盘地址为："<<w[tempofk].getonum()<<" "<<"操作为："<<i[j].getope()<<endl;else cout<<"*"<<"发生缺页中断"<<endl;}}int main(){ins*INS=new ins[12];INS[0].setope ("+");INS[0].setpage(0);INS[0].setunit(70);INS[1].setope ("+");INS[1].setpage(1);INS[1].setunit(50);INS[2].setope ("×");INS[2].setpage(2);INS[2].setunit(15);INS[3].setope ("存"); INS[3].setpage(3);INS[3].setunit(21);INS[4].setope ("取"); INS[4].setpage(0);INS[4].setunit(56);INS[5].setope ("-");INS[5].setpage(6);INS[5].setunit(40);INS[6].setope ("移位"); INS[6].setpage(4);INS[6].setunit(53);INS[7].setope ("+");INS[7].setpage(5);INS[7].setunit(23);INS[8].setope ("存"); INS[8].setpage(1);INS[8].setunit(37);INS[9].setope ("取"); INS[9].setpage(2);INS[9].setunit(78);INS[10].setope ("+"); INS[10].setpage(4);INS[10].setunit(1);INS[11].setope ("存"); INS[11].setpage(6);INS[11].setunit(84);work*W =new work[7]; ifstream in("g://operate1.txt");long int p;int s;long int i;long int o;for(int jj=0;jj<7 ;jj++){in>>p;in>>s;in>>i;in>>o ;W[jj].setPage(p);W[jj].setsym(s);W[jj].setinum(i);W[jj].setonum(o);}diaodu(W,INS,12);}五．结果显示操作系统实验二〔第二题〕一．用先进先出〔FIFO〕九．程序清单/ 操作系统实验二.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。

实验六虚拟存储器一、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。

二、实验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。

通过本实验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、实验题目本实验有三道题目，其中第一题必做，第二，三题中可任选一个。

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。

缺页中断及页⾯置换算法1. 缺页中断 在请求分页系统中，可以通过查询页表中的状态位来确定所要访问的页⾯是否存在于内存中。

每当所要访问的页⾯不在内存时，会产⽣⼀次缺页中断，此时操作系统会根据页表中的外存地址在外存中找到所缺的⼀页，将其调⼊内存。

缺页本⾝是⼀种中断，与⼀般的中断⼀样，需要经过4个处理步骤： 1. 保护CPU现场 2. 分析中断原因 3. 转⼊缺页中断处理程序进⾏处理 4. 恢复CPU现场，继续执⾏ 但是缺页中断时由于所要访问的页⾯不存在与内存时，有硬件所产⽣的⼀种特殊的中断，因此，与⼀般的中断存在区别： 1. 在指令执⾏期间产⽣和处理缺页中断信号 2. ⼀条指令在执⾏期间，可能产⽣多次缺页中断 3. 缺页中断返回时，执⾏产⽣中断的那⼀条指令，⽽⼀般的中断返回时，执⾏下⼀条指令2. 页⾯置换算法 进程运⾏过程中，如果发⽣缺页中断，⽽此时内存中有没有空闲的物理块是，为了能够把所缺的页⾯装⼊内存，系统必须从内存中选择⼀页调出到磁盘的对换区。

但此时应该把那个页⾯换出，则需要根据⼀定的页⾯置换算法（Page Replacement Algorithm)来确定。

2.1 最佳置换（Optimal， OPT)2.1.1 基本思想 置换以后不再被访问，或者在将来最迟才回被访问的页⾯，缺页中断率最低。

但是该算法需要依据以后各业的使⽤情况，⽽当⼀个进程还未运⾏完成是，很难估计哪⼀个页⾯是以后不再使⽤或在最长时间以后才会⽤到的页⾯。

所以该算法是不能实现的。

但该算法仍然有意义，作为很亮其他算法优劣的⼀个标准。

2.1.2 算例 采⽤固定分配局部置换的策略，嘉定系统为某进程在内存中分配了3个物理块，页⾯访问顺序为2、3、2、1、5、2、4、5、3、2、5、2。

假定系统未采⽤预调页策略，即未事先调⼊任何页⾯。

进程运⾏时，⼀次将2、3、1三个页⾯调⼊内存，发⽣3次缺页中断。

当第⼀次访问页⾯5时，产⽣第4次缺页中断，根据OPT算法，淘汰页⾯1，因为它在以后不会在使⽤了；第5次缺页中断时，淘汰页⾯2，因为它在5、3、2三个页⾯中，是在将来最迟才会被页⾯访问的页⾯。

合肥学院计算机科学与技术系实验报告2009 ～2010 学年第一学期课程操作系统原理实验名称模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断学生姓名方岚王庆红王兆娟何佳丽专业班级07计本（1）指导教师屠菁2009 年 11 月一、实验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。

通过这次实习理解在分页式存储管理中怎样实现虚拟存储器。

深入了解分页式存储管理如何实现地址转换,进一步认识分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。

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作工作进程测试。

假定主存64KB ，每个主存块1024字节，作业最大支持到64KB ，系统中每个作业分得主存块4块。

三、实验步骤1. 概要设计分页式存储管理中地址转换过程很简单，假定主存块的大小为2n 字节，主存大小为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，过程如图1所示。

图1 页式存储管理系统地址转换示意图页 号 页内地址 块 号 块内地址页号 … 块号 … … … 物理地址 逻辑地址 m' n n-10 m n n-1地址转换是由硬件完成的，实验中使用软件程序模拟地址转换过程，模拟地址转换的流程图如图2.7所示（实验中假定主存64KB，每个主存块1024字节，即n=10,m'=16，物理地址中块号6位、块内地址10位；作业最大64KB，即m=16，逻辑地址中页号6位、页内地址10位）。

实验四处理缺页中断1．实验目的深入了解页式存储管理如何实现地址转换；进一步认识页式虚拟存储管理中如何处理缺页中断。

2．实验预备知识页式存储管理中的地址转换的方法；页式虚拟存储的缺页中断处理方法。

3．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作工作进程测试。

假定主存64KB ，每个主存块1024字节，作业最大支持到64KB ，系统中每个作业分得主存块4块。

4．提示与讲解页式存储管理中地址转换过程很简单，假定主存块的大小为2n 字节，主存大小为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，过程如图1所示。

图1 页式存储管理系统地址转换示意图地址转换是由硬件完成的，实验中使用软件程序模拟地址转换过程，模拟地址转换的流程图如图2所示（实验中假定主存64KB ，每个主存块1024字节，即n=10,m'=16，物理地址中块号6位、块内地址10位；作业最大64KB ，即m=16，逻辑地址中页号6位、页内地址10位）。

在页式虚拟存储管理方式中，作业信息作为副本放在磁盘上，作业执行时仅把作业信息的部分页面装入主存储器，作业执行时若访问的页面在主存中，则按上述方式进行地址转换，若访问的页面不在主存中，则产生一个“缺页中断”，逻辑地址由操作系统把当前所需的页面装入主存储器后，再次执行时才可以按上述方法进行地址转换。

页式虚拟存储管理方式中页表除页号和该页对应的主存块号外，至少还要包括存在标志（该页是否在主存），磁盘位置（该页的副本在磁盘上的位置）和修改标志（该页是否修改过）。

缺页中断处理过程和页面置换算法是计算机内存管理中的重要概念。

缺页中断是指当程序访问的页面不在内存中时，产生的一种异常。

页面置换算法则是用于在内存中找不到空闲页面时，选择哪个页面将其移出内存，以便为新的页面腾出空间。

下面将详细介绍缺页中断处理过程和页面置换算法的原理及实现。

一、缺页中断处理过程当程序访问一个页面时，首先会检查页表，页表是一个记录了虚拟页号与物理页号映射的数据结构。

如果所要访问的页面在内存中，则直接使用；如果页面不在内存中，则会产生缺页中断。

缺页中断处理过程如下：1. 当发生缺页中断时，CPU会停止当前正在执行的指令，并将控制权交给操作系统。

2. 操作系统收到缺页中断请求后，会查找该页面在磁盘中的位置，并读取该页面数据到内存中。

3. 在内存中找到空闲的页面，将读取的页面数据写入该空闲页面。

4. 更新页表，将虚拟页号与物理页号的映射关系记录到页表中。

5. 重新启动CPU，继续执行之前被中断的指令。

二、页面置换算法当内存中没有空闲页面时，需要选择一个页面将其移出内存，为新的页面腾出空间。

页面置换算法就是用来确定哪个页面被替换的规则。

下面介绍几种常见的页面置换算法：1. 先进先出（FIFO）算法：FIFO算法选择最早进入内存的页面进行替换。

实现时可以使用一个队列来记录每个页面进入内存的时间，当需要替换页面时，选择队列头部的页面进行替换。

FIFO算法简单易实现，但性能较差，可能导致常用页面被频繁替换。

2. 最近最少用（LRU）算法：LRU算法选择最久未使用的页面进行替换。

实现时需要维护一个使用频率的链表，当发生缺页中断时，选择链表头部的页面进行替换。

LRU算法理论上较优，但实现复杂，需要维护链表和访问计数。

3. 最佳置换（OPT）算法：OPT算法选择未来最长时间内不再被访问的页面进行替换。

这是一个理想化的算法，实际中无法实现，但可以用来评估其他算法的性能。

4. 时钟（CLOCK）算法：CLOCK算法结合了FIFO算法和LRU算法的特点，选择距离当前时间最近且最久未使用的页面进行替换。

实验四页式虚拟存储管理中地址转换和页式中断FIFO一、实验目的深入了解页式存储管理如何实现地址转换；进一步认识页式虚拟存储管理中如何处理缺页中断以及页面置换算法。

二、实验主要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。

实验具体内容包括：首先对给定的地址进行转换工作，若发现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。

假定主存64KB，每个主存块1024字节，作业最大支持到64KB，系统中每个作业分得主存块4块。

三、实验原理1）地址转换过程：首先从逻辑地址中的高位取得页号，然后根据页号查页表，得到块号；然后从逻辑地址中的低位取得页内地址，将块号和页内地址合并即得到物理地址。

2）缺页中断处理根据页号查找页表，判断该页是否在主存储器中，若该页标志位“0”，形成缺页中断。

操作系统让调出中断处理程序处理中断。

四、实验方法与步骤实现地址转换与缺页中断处理，主要考虑三个问题：第一，设计页式虚拟存储管理方式中页表的数据结构；第二，地址转换算法的实现；第三，缺页中断处理算法的实现。

1)设计页表的数据结构页式虚拟存储管理方式中页表除了页号和该页对应的主存块号外，至少还要包括存在标志（该页是否在主存），磁盘位置（该页的副本在磁盘上的位置）和修改标志（该页是否修改过）。

在实验中页表用数组模拟，其数据结构定义如下：struct{int lnumber; //页号int flag; //表示页是否在主存中，“1”表示在，“0”表示不在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2）地址转换算法的实现地址转换是由硬件完成的，实验中使用软件程序模拟地址转换过程。

在实验中，每个主存块1024字节，则块内地址占10位；主存64KB，则主存共64块，即块号占6位；物理地址共占16位；作业最大64KB，则作业最大占64块，即页号占6位，逻辑地址共占16位。

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。