操作系統(tǒng)實驗之存儲管理
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操作系統(tǒng)實驗之存儲管理
操作系統(tǒng)實驗存儲管理是加深對存儲管理的作用和工作原理的理解，下面由學習啦小編為大家整理了操作系統(tǒng)實驗存儲管理的相關知識，希望大家喜歡!操作系統(tǒng)實驗——存儲管理
實驗三 存儲管理(3學時)
一、實驗目的
(1)加深對存儲管理的作用和工作原理的理解。
(2)進一步認識主存空間的分配和回收方法。
(3)進一步認識虛擬存儲器的工作原理。
二、實驗類型
綜合型。
三、預習內(nèi)容
預習課本存儲管理有關內(nèi)容，包括各種內(nèi)存分配方法和利用分頁式存儲管理實現(xiàn)虛擬存儲器策略方法。
預習課本文件系統(tǒng)有關內(nèi)容，包括文件和目錄的創(chuàng)建和刪除等基本原理。
四、實驗要求與提示
本實驗有三個題，其中第一必做，第二、第三題中任選一個。
第一題：模擬分頁式存儲管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生缺頁中斷。
【提示】
(1)分頁式虛擬存儲系統(tǒng)是把作業(yè)信息的副本存放在磁盤上，當作業(yè)被選中時，可把作業(yè)的開始幾頁先裝入主存且啟動執(zhí)行。為此，在為作業(yè)建立頁表時，應說明哪些頁已在主存，哪些頁尚未裝入主存，頁表的格式為：
| 頁號 | 標志 | 主存塊號 | 在磁盤上的位置 |
l 標志——用來表示對應頁是否已經(jīng)裝入主存，標志位=1，則表示該頁已經(jīng)在主存，標志位=0，則表示該頁尚未裝入主存。
l 主存塊號——用來表示已經(jīng)裝入主存的頁所占的塊號。
l 在磁盤上的位置——用來指出作業(yè)副本的每一頁被存放在磁盤上的位置。
(2)作業(yè)執(zhí)行時，指令中的邏輯地址指出了參加運算的操作數(shù)存放的頁號和單元號，硬件的地址轉(zhuǎn)換機構(gòu)按頁號查頁表，若該頁對應標志為“1”，則表示該頁已在主存，這時根據(jù)關系式：
絕對地址=塊號´塊長+單元號
計算出欲訪問的主存單元地址。如果塊長為2的冪次，則可把塊號作為高地址部分，把單元號作為低地址部分，兩者拼接而成絕對地址。按計算出的絕對地址可以取到操作數(shù)，完成一條指令的執(zhí)行。若訪問的頁對應標志為“0”，則表示該頁不在主存，這時硬件發(fā)“缺頁中斷”信號，由操作系統(tǒng)按該頁在磁盤上的位置，把該頁信息從磁盤讀出裝入主存后再重新執(zhí)行這條指令。
(3)設計一個“地址轉(zhuǎn)換”程序來模擬硬件的地址轉(zhuǎn)換工作。當訪問的頁在主存時，則形成絕對地址，但不去模擬指令的執(zhí)行，而用輸出轉(zhuǎn)換后的地址來代替一條指令的執(zhí)行。當訪問的頁不在主存時，則輸出“*該頁頁號”，表示產(chǎn)生了一次缺頁中斷。該模擬程序的算法如圖3-1。
(4)假定主存的每塊長度為128個字節(jié);現(xiàn)有一個共七頁的作業(yè)，其中第0頁至第3頁已經(jīng)裝入主存，其余三頁尚未裝入主存;該作業(yè)的頁表為：
| 0 | 1 | 5 | 011 |
| 1 | 1 | 8 | 012 |
| 2 | 1 | 9 | 013 |
| 3 | 1 | 1 | 021 |
| 4 | 0 | 022 | |
| 5 | 0 | 023 | |
| 6 | 0 | 121 |
| 操作 | 頁號 | 單元號 | 操作 | 頁號 | 單元號 |
| + | 0 | 070 | 移位 | 4 | 053 |
| + | 1 | 050 | + | 5 | 023 |
| ´ | 2 | 015 | 存 | 1 | 037 |
| 存 | 3 | 021 | 取 | 2 | 078 |
| 取 | 0 | 056 | + | 4 | 001 |
| - | 6 | 040 | 存 | 6 | 084 |
圖3-1 地址轉(zhuǎn)換模擬算法
第二題：用先進先出(FIFO)頁面調(diào)度算法處理缺頁中斷。
【提示】
(1)在分頁式虛擬存儲系統(tǒng)中，當硬件發(fā)出“缺頁中斷”后，引出操作系統(tǒng)來處理這個中斷事件。如果主存中已經(jīng)沒有空閑塊，則可用FIFO頁面調(diào)度算法把該作業(yè)中最先進入主存的一頁調(diào)出，存放到磁盤上。然后再把當前要訪問的頁裝入該塊。調(diào)出和裝入后都要修改頁表中對應頁的標志。
(2)FIFO頁面調(diào)度算法總是淘汰該作業(yè)中最先進入主存的那一頁，因此可以用一個數(shù)組來表示該作業(yè)已在主存的頁面。假定作業(yè)被選中時，把開始的m個頁面裝入主存，則數(shù)組的元素可定為m個。例如：
P[0]，P[1]…，P[m-1]
其中，每一個P[i] (i =0, 1, …, m-1) 表示一個在主存中的頁面號。它們的初值為：
P[0]： =0, P[1]： =1, …, P[m-1]： =m-1
用一指針K指示當要裝入新頁時，應淘汰的頁在數(shù)組中的位置，K的初值為“0”。
當產(chǎn)生缺頁中斷后，操作系統(tǒng)選擇P[k]所指出的頁面調(diào)出，然后執(zhí)行：
P[k]： =要裝入頁的頁號
k： = (k+1) mod m
再由裝入程序把要訪問的一頁信息裝入到主存中。重新啟動剛才那條指令執(zhí)行。
(3)編制一個FIFO頁面調(diào)度程序，為了提高系統(tǒng)效率，如果應淘汰的頁在執(zhí)行中沒有修改過，則可不必把該頁調(diào)出(因在磁盤上已有副本)而直接裝入一個新頁將其覆蓋。因此在頁表中增加是否修改過的標志，為“1”表示修改過，為“0”表示未修改過，格式為：
| 頁號 | 標志 | 主存塊號 | 修改標志 | 在磁盤上的位置 |
把第一題中程序稍作改動，與本題結(jié)合起來，F(xiàn)IFO頁面調(diào)度模擬算法如圖3-2。
(4)如果一個作業(yè)的副本已在磁盤上，在磁盤上的存放地址以及已裝入主存的頁和作業(yè)依次執(zhí)行的指令序列都同第一題中(4)所示。于是增加了“修改標志”后的初始頁表為：
| 頁號 | 標志 | 主存塊號 | 修改標志 | 在磁盤上的位置 |
| 0 | 1 | 5 | 0 | 011 |
| 1 | 1 | 8 | 0 | 012 |
| 2 | 1 | 9 | 0 | 013 |
| 3 | 1 | 1 | 0 | 021 |
| 4 | 0 | 0 | 022 | |
| 5 | 0 | 0 | 023 | |
| 6 | 0 | 0 | 121 |
(5)為了檢查程序的正確性，可再任意確定一組指令序列，運行設計的程序，核對執(zhí)行的結(jié)果。
第三題：用最近最少用(LRU)頁面調(diào)度算法處理缺頁中斷。
【提示】
(1)在分頁式虛擬存儲系統(tǒng)中，當硬件發(fā)出“缺頁中斷”后，引出操作系統(tǒng)來處理這個中斷事件。如果主存中已經(jīng)沒有空閑塊，則可用LRU頁面調(diào)度算法把該作業(yè)中距現(xiàn)在最久沒有被訪問過的一頁調(diào)出，存放到磁盤上。然后再把當前要訪問的頁裝入該塊。調(diào)出和裝入后都要修改頁表中對應頁的標志。
圖3-2 FIFO頁面調(diào)度模擬算法
(2)LRU頁面調(diào)度算法總是淘汰該作業(yè)中距現(xiàn)在最久沒被訪問過的那頁，因此可以用一個數(shù)組來表示該作業(yè)已在主存的頁面。數(shù)組中的第一個元素總是指出當前剛訪問的頁號，因此最久沒被訪問過的頁總是由最后一個元素指出。如果主存只有四塊空閑塊且執(zhí)行第一題中提示(4)假設的指令序列，采用LRU頁面調(diào)度算法，那么在主存中的頁面變化情況如下：
| 3 | 0 | 6 | 4 | 5 | 1 | 2 | 4 | 6 | ||||||||
| 2 | 3 | 0 | 6 | 4 | 5 | 1 | 2 | 4 | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 0 | 6 | 4 | 5 | 1 | 2 | ||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 0 | 6 | 4 | 5 | 1 |
(3)編制一個LRU頁面調(diào)度程序，為了提高系統(tǒng)效率，如果淘汰的頁在執(zhí)行中沒有修改過，則可不必把該頁調(diào)出。參看第二題中提示(3)。模擬調(diào)度算法不實際地啟動調(diào)出一頁和裝入一頁的程序而用輸出調(diào)出的頁號和裝入的頁號來代替。把第一題中程序稍作改動，與本題結(jié)合起來，LRU頁面調(diào)度模擬算法如圖3-3。
圖3-3 LRU頁面調(diào)度模擬算法
(4)按第一題中提示(4)的要求，建立一張初始頁表，頁表中為每一頁增加“修改標志”位(參考第二題中提示(4))。然后按依次執(zhí)行的指令序列，運行設計的程序，顯示或打印每次調(diào)出和裝入的頁號，以及執(zhí)行了最后一條指令后數(shù)組中的值。
(5)為了檢查程序的正確性，可再任意確定一組指令序列，運行設計的程序，核對執(zhí)行的結(jié)果。
五、思考題
(1)先進先出頁面調(diào)度算法的思想?
(2)最近最少用(LRU)頁面調(diào)度算法思想?
(3)比較兩種調(diào)度算法的效率(哪種調(diào)度算法使產(chǎn)生缺頁中斷的次數(shù)少)?
(4)分析在什么情況下采用哪種調(diào)度算法更有利?
六、實驗報告
(1)實驗題目(第二題或第三題)。
(2)程序中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及符號說明。
(3)實現(xiàn)的核心代碼。
(4)打印初始頁表、每次調(diào)出(要調(diào)出一頁時)和裝入的頁號、執(zhí)行最后一條指令后在主存中的頁面號(即數(shù)組的值)。