虛擬存儲(chǔ)器課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　(學(xué) 院)系: 信息工程學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè): 軟件工程 </p><p>　　姓 名: </p><p>　　班 級(jí):

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào): </p><p>　　指導(dǎo)教師: </p><p>　　2012年 1 月 15 日</p><p>　　實(shí)習(xí)一 虛擬存儲(chǔ)器</p><p><b>　　一、實(shí)習(xí)內(nèi)容</b&

3、gt;</p><p>　　模擬分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和缺頁(yè)中斷，以及選擇頁(yè)面調(diào)度算法處理缺頁(yè)中斷。</p><p><b>　　二、實(shí)習(xí)目的</b></p><p>　　在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為了提高主存利用率，往往把輔助存儲(chǔ)器（如磁盤(pán)）作為主存儲(chǔ)器的擴(kuò)充，使多道運(yùn)行的作業(yè)的全部邏輯地址空間總和可以超出主存的絕對(duì)地址空間。用這種辦法擴(kuò)充

4、的主存儲(chǔ)器稱(chēng)為虛擬存儲(chǔ)器。通過(guò)本實(shí)習(xí)幫助同學(xué)理解在分頁(yè)式存儲(chǔ)管理中怎樣實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器。</p><p><b>　　三、實(shí)習(xí)題目</b></p><p>　　本實(shí)習(xí)有三個(gè)題，其中第一題必做，第二、第三題中可任選一個(gè)。</p><p>　　第一題：模擬分頁(yè)式存儲(chǔ)管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生缺頁(yè)中斷。</p><p><

5、b>　　[提示]：</b></p><p>　　(1) 分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)是把作業(yè)信息的副本存放在磁盤(pán)上，當(dāng)作業(yè)被選中時(shí)，可把作業(yè)的開(kāi)始幾頁(yè)先裝入主存且啟動(dòng)執(zhí)行。為此，在為作業(yè)建立頁(yè)表時(shí)，應(yīng)說(shuō)明哪些頁(yè)已在主存，哪些頁(yè)尚未裝入主存，頁(yè)表的格式為：</p><p>　　其中，標(biāo)志——用來(lái)表示對(duì)應(yīng)頁(yè)是否已經(jīng)裝入主存，標(biāo)志位=1，則表示該頁(yè)已經(jīng)在主存，標(biāo)志位=0，則表示該頁(yè)尚未裝

6、入主存。</p><p>　　主存塊號(hào)——用來(lái)表示已經(jīng)裝入主存的頁(yè)所占的塊號(hào)。</p><p>　　在磁盤(pán)上的位置——用來(lái)指出作業(yè)副本的每一頁(yè)被存放在磁盤(pán)上的位置。</p><p>　　(2) 作業(yè)執(zhí)行時(shí)，指令中的邏輯地址指出了參加運(yùn)算的操作數(shù)存放的頁(yè)號(hào)和單元號(hào)，硬件的地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)按頁(yè)號(hào)查頁(yè)表，若該頁(yè)對(duì)應(yīng)標(biāo)志為“1”，則表示該頁(yè)已在主存，這時(shí)根據(jù)關(guān)系式：</p

7、><p>　　絕對(duì)地址=塊號(hào)塊長(zhǎng)+單元號(hào)</p><p>　　計(jì)算出欲訪(fǎng)問(wèn)的主存單元地址。如果塊長(zhǎng)為2的冪次，則可把塊號(hào)作為高地址部分，把單元號(hào)作為低地址部分，兩者拼接而成絕對(duì)地址。按計(jì)算出的絕對(duì)地址可以取到操作數(shù)，完成一條指令的執(zhí)行。若訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)對(duì)應(yīng)標(biāo)志為“0”，則表示該頁(yè)不在主存，這時(shí)硬件發(fā)“缺頁(yè)中斷”信號(hào)，由操作系統(tǒng)按該頁(yè)在磁盤(pán)上的位置，把該頁(yè)信息從磁盤(pán)讀出裝入主存后再重新執(zhí)行這條指令。&

8、lt;/p><p>　　(3) 設(shè)計(jì)一個(gè)“地址轉(zhuǎn)換”程序來(lái)模擬硬件的地址轉(zhuǎn)換工作。當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)在主存時(shí)，則形成絕對(duì)地址，但不去模擬指令的執(zhí)行，而用輸出轉(zhuǎn)換后的地址來(lái)代替一條指令的執(zhí)行。當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)不在主存時(shí)，則輸出“*該頁(yè)頁(yè)號(hào)”，表示產(chǎn)生了一次缺頁(yè)中斷。該模擬程序的算法如圖1-1。</p><p>　　(4) 假定主存的每塊長(zhǎng)度為128個(gè)字節(jié)；現(xiàn)有一個(gè)共七頁(yè)的作業(yè)，其中第0頁(yè)至第3頁(yè)已經(jīng)裝入主存，

9、其余三頁(yè)尚未裝入主存；該作業(yè)的頁(yè)表為：</p><p>　　圖1-1 地址轉(zhuǎn)換模擬算法</p><p>　　如果作業(yè)依次執(zhí)行的指令序列為：</p><p>　　運(yùn)行設(shè)計(jì)的地址轉(zhuǎn)換程序，顯示或打印運(yùn)行結(jié)果。因僅模擬地址轉(zhuǎn)換，并不模擬指令的執(zhí)行，故可不考慮上述指令序列中的操作。</p><p>　　第二題：用先進(jìn)先出（FIFO）頁(yè)面調(diào)度算法處理

10、缺頁(yè)中斷。</p><p><b>　　[提示]：</b></p><p>　　(1) 在分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，當(dāng)硬件發(fā)出“缺頁(yè)中斷”后，引出操作系統(tǒng)來(lái)處理這個(gè)中斷事件。如果主存中已經(jīng)沒(méi)有空閑塊，則可用FIFO頁(yè)面調(diào)度算法把該作業(yè)中最先進(jìn)入主存的一頁(yè)調(diào)出，存放到磁盤(pán)上。然后再把當(dāng)前要訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)裝入該塊。調(diào)出和裝入后都要修改頁(yè)表中對(duì)應(yīng)頁(yè)的標(biāo)志。</p>&l

11、t;p>　　(2) FIFO頁(yè)面調(diào)度算法總是淘汰該作業(yè)中最先進(jìn)入主存的那一頁(yè)，因此可以用一個(gè)數(shù)組來(lái)表示該作業(yè)已在主存的頁(yè)面。假定作業(yè)被選中時(shí)，把開(kāi)始的m個(gè)頁(yè)面裝入主存，則數(shù)組的元素可定為m個(gè)。例如：</p><p>　　P[0]，P[1]…，P[m-1]</p><p>　　其中每一個(gè)P[i] (I=0, 1, …, m-1) 表示一個(gè)在主存中的頁(yè)面號(hào)。它們的初值為：</p&g

12、t;<p>　　P[0]： =0, P[1]： =1, …, P[m-1]： =m-1</p><p>　　用一指針K指示當(dāng)要裝入新頁(yè)時(shí)，應(yīng)淘汰的頁(yè)在數(shù)組中的位置，K的初值為“0”。</p><p>　　當(dāng)產(chǎn)生缺頁(yè)中斷后，操作系統(tǒng)選擇P[k]所指出的頁(yè)面調(diào)出，然后執(zhí)行：</p><p>　　P[k]： =要裝入頁(yè)的頁(yè)號(hào)</p>&l

13、t;p>　　k： = (k+1) mod m</p><p>　　再由裝入程序把要訪(fǎng)問(wèn)的一頁(yè)信息裝入到主存中。重新啟動(dòng)剛才那條指令執(zhí)行。</p><p>　　(3) 編制一個(gè)FIFO頁(yè)面調(diào)度程序，為了提高系統(tǒng)效率，如果應(yīng)淘汰的頁(yè)在執(zhí)行中沒(méi)有修改過(guò)，則可不必把該頁(yè)調(diào)出（因在磁盤(pán)上已有副本）而直接裝入一個(gè)新頁(yè)將其覆蓋。因此在頁(yè)表中增加是否修改過(guò)的標(biāo)志，為“1”表示修改過(guò)，為“0”表示未修

14、改過(guò)，格式為：</p><p>　　由于是模擬調(diào)度算法，所以，不實(shí)際地啟動(dòng)調(diào)出一頁(yè)和裝入一頁(yè)的程序，而用輸出調(diào)出的頁(yè)號(hào)和裝入的頁(yè)號(hào)來(lái)代替一次調(diào)出和裝入的過(guò)程。</p><p>　　把第一題中程序稍作改動(dòng)，與本題結(jié)合起來(lái)，F(xiàn)IFO頁(yè)面調(diào)度模擬算法如圖1-2。</p><p>　　(4) 如果一個(gè)作業(yè)的副本已在磁盤(pán)上，在磁盤(pán)上的存放地址以及已裝入主存的頁(yè)和作業(yè)依次執(zhí)行的

15、指令序列都同第一題中（4）所示。于是增加了“修改標(biāo)志”后的初始頁(yè)表為：</p><p>　　按依次執(zhí)行的指令序列，運(yùn)行你所設(shè)計(jì)的程序，顯示或打印每次調(diào)出和裝入的頁(yè)號(hào)，以及執(zhí)行了最后一條指令后的數(shù)組P的值。</p><p>　　(5) 為了檢查程序的正確性，可再任意確定一組指令序列，運(yùn)行設(shè)計(jì)的程序，核對(duì)執(zhí)行的結(jié)果。</p><p>　　圖1-2 FIFO頁(yè)面調(diào)度模擬

16、算法</p><p>　　第三題：用最近最少用（LRU）頁(yè)面調(diào)度算法處理缺頁(yè)中斷。</p><p><b>　　[提示]：</b></p><p>　　(1) 在分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，當(dāng)硬件發(fā)出“缺頁(yè)中斷”后，引出操作系統(tǒng)來(lái)處理這個(gè)中斷事件。如果主存中已經(jīng)沒(méi)有空閑塊，則可用LRU頁(yè)面調(diào)度算法把該作業(yè)中距現(xiàn)在最久沒(méi)有被訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的一頁(yè)調(diào)出，存放到磁盤(pán)

17、上。然后再把當(dāng)前要訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)裝入該塊。調(diào)出和裝入后都要修改頁(yè)表中對(duì)應(yīng)頁(yè)的標(biāo)志。</p><p>　　(2) LRU頁(yè)面調(diào)度算法總是淘汰該作業(yè)中距現(xiàn)在最久沒(méi)被訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的那頁(yè)，因此可以用一個(gè)數(shù)組來(lái)表示該作業(yè)已在主存的頁(yè)面。數(shù)組中的第一個(gè)元素總是指出當(dāng)前剛訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)號(hào)，因此最久沒(méi)被訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的頁(yè)總是由最后一個(gè)元素指出。如果主存只有四塊空閑塊且執(zhí)行第一題中提示（4）假設(shè)的指令序列，采用LRU頁(yè)面調(diào)度算法，那么在主存中的頁(yè)面變化情況

18、如下：</p><p>　　當(dāng)產(chǎn)生缺頁(yè)中斷后，操作系統(tǒng)總是淘汰由最后一個(gè)元素所指示的頁(yè)，再把要訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)裝入淘汰頁(yè)所占的主存塊中，頁(yè)號(hào)登記到數(shù)組的第一個(gè)元素中，重新啟動(dòng)剛才那條指令執(zhí)行。</p><p>　　(3) 編制一個(gè)LRU頁(yè)面調(diào)度程序，為了提高系統(tǒng)效率，如果淘汰的頁(yè)在執(zhí)行中沒(méi)有修改過(guò)，則可不必把該頁(yè)調(diào)出。參看第二題中提示（3）。模擬調(diào)度算法不實(shí)際地啟動(dòng)調(diào)出一頁(yè)和裝入一頁(yè)的程序而用輸出

19、調(diào)出的頁(yè)號(hào)和裝入的頁(yè)號(hào)來(lái)代替。把第一題中程序稍作改動(dòng)，與本題結(jié)合起來(lái)，LRU頁(yè)面調(diào)度模擬算法如圖1-3。</p><p>　　圖1-3 LRU頁(yè)面調(diào)度模擬算法</p><p>　　(4) 按第一題中提示（4）的要求，建立一張初始頁(yè)表，頁(yè)表中為每一頁(yè)增加“修改標(biāo)志”位（參考第二題中提示（4））。然后按依次執(zhí)行的指令序列，運(yùn)行設(shè)計(jì)的程序，顯示或打印每次調(diào)出和裝入的頁(yè)號(hào)，以及執(zhí)行了最后一條指令

20、后數(shù)組中的值。</p><p>　　(5) 為了檢查程序的正確性，可再任意確定一組指令序列，運(yùn)行設(shè)計(jì)的程序，核對(duì)執(zhí)行的結(jié)果。</p><p><b>　　四、實(shí)習(xí)報(bào)告</b></p><p>　　(1) 實(shí)習(xí)題目（第二題或第三題）。</p><p>　　(2) 程序中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及符號(hào)說(shuō)明。</p>&l

21、t;p>　　(3) 打印一份源程序并附上注釋。</p><p>　　(4) 打印初始頁(yè)表、每次調(diào)出（要調(diào)出一頁(yè)時(shí)）和裝入的頁(yè)號(hào)、執(zhí)行最后一條指令后在主存中的頁(yè)面號(hào)（即數(shù)組的值）。</p><p><b>　　五、思考題</b></p><p>　　如果您有興趣的話(huà)，可把兩種頁(yè)面調(diào)度算法都做一下，比較兩種調(diào)度算法的效率（哪種調(diào)度算法使產(chǎn)生缺