操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之存儲(chǔ)管理
時(shí)間：
佳洲1085由 分享
操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之存儲(chǔ)管理
操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)管理是加深對(duì)存儲(chǔ)管理的作用和工作原理的理解，下面由學(xué)習(xí)啦小編為大家整理了操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)管理的相關(guān)知識(shí)，希望大家喜歡!操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)——存儲(chǔ)管理
實(shí)驗(yàn)三 存儲(chǔ)管理(3學(xué)時(shí))
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/> (1)加深對(duì)存儲(chǔ)管理的作用和工作原理的理解。
(2)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)主存空間的分配和回收方法。
(3)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)虛擬存儲(chǔ)器的工作原理。
二、實(shí)驗(yàn)類型
綜合型。
三、預(yù)習(xí)內(nèi)容
預(yù)習(xí)課本存儲(chǔ)管理有關(guān)內(nèi)容，包括各種內(nèi)存分配方法和利用分頁(yè)式存儲(chǔ)管理實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器策略方法。
預(yù)習(xí)課本文件系統(tǒng)有關(guān)內(nèi)容，包括文件和目錄的創(chuàng)建和刪除等基本原理。
四、實(shí)驗(yàn)要求與提示
本實(shí)驗(yàn)有三個(gè)題，其中第一必做，第二、第三題中任選一個(gè)。
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。
【提示】
(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：
| 頁(yè)號(hào) | 標(biāo)志 | 主存塊號(hào) | 在磁盤(pán)上的位置 |
l 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)尚未裝入主存。
l 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)。
l 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。
(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：
絕對(duì)地址=塊號(hào)´塊長(zhǎng)+單元號(hào)
計(jì)算出欲訪問(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。
(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3-1。
(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，其余三頁(yè)尚未裝入主存;該作業(yè)的頁(yè)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(yè)號(hào) | 單元號(hào) | 操作 | 頁(yè)號(hào) | 單元號(hào) |
| + | 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(jìn)先出(FIFO)頁(yè)面調(diào)度算法處理缺頁(yè)中斷。
【提示】
(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。
(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[0]，P[1]…，P[m-1]
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[0]： =0, P[1]： =1, …, P[m-1]： =m-1
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”。
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[k]： =要裝入頁(yè)的頁(yè)號(hào)
k： = (k+1) mod m
再由裝入程序把要訪問(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。
(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”表示未修改過(guò)，格式為：
| 頁(yè)號(hào) | 標(biāo)志 | 主存塊號(hào) | 修改標(biāo)志 | 在磁盤(pán)上的位置 |
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3-2。
(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：
| 頁(yè)號(hào) | 標(biāo)志 | 主存塊號(hào) | 修改標(biāo)志 | 在磁盤(pán)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(yùn)行設(shè)計(jì)的程序，核對(duì)執(zhí)行的結(jié)果。
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。
【提示】
(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)有被訪問(wèn)過(guò)的一頁(yè)調(diào)出，存放到磁盤(pán)上。然后再把當(dāng)前要訪問(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。
圖3-2 FIFO頁(yè)面調(diào)度模擬算法
(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)前剛訪問(wèn)的頁(yè)號(hào)，因此最久沒(méi)被訪問(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(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3-3。
圖3-3 LRU頁(yè)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(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(yùn)行設(shè)計(jì)的程序，核對(duì)執(zhí)行的結(jié)果。
五、思考題
(1)先進(jìn)先出頁(yè)面調(diào)度算法的思想?
(2)最近最少用(LRU)頁(yè)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(yè)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(shí)驗(yàn)報(bào)告
(1)實(shí)驗(yàn)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(hào)說(shuō)明。
(3)實(shí)現(xiàn)的核心代碼。
(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)。