模擬分頁式虛擬存儲管理中地址轉(zhuǎn)換和缺頁中斷

1、合肥學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系實驗報告2009 2010 學(xué)年第 一 學(xué)期課程 操作系統(tǒng)原理實驗名稱模擬分頁式存儲管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生缺頁中斷學(xué)生姓名方嵐 王慶紅 王兆娟 何佳麗專業(yè)班級07計本（1）指導(dǎo)教師屠 菁2009 年 11 月一、實驗?zāi)康脑谟嬎銠C系統(tǒng)中，為了提高主存利用率，往往把輔助存儲器（如磁盤）作為主存儲器的擴充，使多道運行的作業(yè)的全部邏輯地址空間總和可以超出主存的絕對地址空間。通過這次實習(xí)理解在分頁式存儲管理中怎樣實現(xiàn)虛擬存儲器。深入了解分頁式存儲管理如何實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換,進一步認識分頁式虛擬存儲管理中如何處理缺頁中斷。二、實驗內(nèi)容編寫程序完成頁式虛擬存儲管理中地址轉(zhuǎn)換過程和模擬

2、缺頁中斷的處理。實驗具體包括：首先對給定的地址進行地址轉(zhuǎn)換工作，若發(fā)生缺頁則先進行缺頁中斷處理，然后再進行地址轉(zhuǎn)換；最后編寫主函數(shù)對所作工作進程測試。假定主存64KB，每個主存塊1024字節(jié)，作業(yè)最大支持到64KB，系統(tǒng)中每個作業(yè)分得主存塊4塊。三、實驗步驟1. 概要設(shè)計分頁式存儲管理中地址轉(zhuǎn)換過程很簡單，假定主存塊的大小為2n字節(jié)，主存大小為2m'字節(jié)和邏輯地址m位，則進行地址轉(zhuǎn)換時，首先從邏輯地址中的高m-n位中取得頁號，然后根據(jù)頁號查頁表，得到塊號，并將塊號放入物理地址的高m'-n位，最后從邏輯地址中取得低n位放入物理地址的低n位就得到了物理地址，過程如圖1所示。頁 號

3、頁內(nèi)地址塊 號 塊內(nèi)地址頁號 塊號物理地址邏輯地址m' n n-1 0m n n-1 0圖1 頁式存儲管理系統(tǒng)地址轉(zhuǎn)換示意圖地址轉(zhuǎn)換是由硬件完成的，實驗中使用軟件程序模擬地址轉(zhuǎn)換過程，模擬地址轉(zhuǎn)換的流程圖如圖2.7所示（實驗中假定主存64KB，每個主存塊1024字節(jié)，即n=10,m'=16，物理地址中塊號6位、塊內(nèi)地址10位；作業(yè)最大64KB，即m=16，邏輯地址中頁號6位、頁內(nèi)地址10位）。在分頁式虛擬存儲管理方式中，作業(yè)信息作為副本放在磁盤上，作業(yè)執(zhí)行時僅把作業(yè)信息的部分頁面裝入主存儲器，作業(yè)執(zhí)行時若訪問的頁面在主存中，則按上述方式進行地址轉(zhuǎn)換，若訪問的頁面不在主存中，則產(chǎn)

4、生一個“缺頁中斷”，由操作系統(tǒng)把當(dāng)前所需的頁面裝入主存儲器后，再次執(zhí)行時才可以按上述方法進行地址轉(zhuǎn)換。頁式虛擬存儲管理方式中頁表除頁號和該頁對應(yīng)的主存塊號外，至少還要包括存在標(biāo)志（該頁是否在主存），磁盤位置（該頁的副本在磁盤上的位置）和修改標(biāo)志（該頁是否修改過）。缺頁處理過程簡單闡述如下： 根據(jù)當(dāng)前執(zhí)行指令中邏輯地址中的頁號查頁表，判斷該頁是否在主存儲器中，若該頁標(biāo)志為“0”，形成缺頁中斷。中斷裝置通過交換PSW讓操作系統(tǒng)的中斷處理程序占用處理器； 操作系統(tǒng)處理缺頁中斷的方法就是查主存分配表，找一個空閑主存塊；若無空閑塊，查頁表，選擇一個已在主存的頁面，把它暫時調(diào)出主存。若在執(zhí)行過程中該頁被修

5、改過，則需將該頁信息寫回磁盤，否則不必寫回； 找出該頁的磁盤位置，啟動磁盤讀出該頁信息，把磁盤上讀出的信息裝入第2步找到的主存塊，修改頁表中該頁的標(biāo)志為“1”； 由于產(chǎn)生缺頁中斷的那條指令沒有執(zhí)行完，所以頁面裝入后應(yīng)重新執(zhí)行被中斷的指令。當(dāng)重新執(zhí)行該指令時，由于要訪問的頁面已在主存中，所以可正常執(zhí)行。關(guān)于第步的查找裝入新頁面的主存塊的處理方式，不同系統(tǒng)采用的策略可能有所不同，這里采用局部置換算法，就是每個作業(yè)分得一定的主存塊，只能在分得的主存塊內(nèi)查找空閑塊，若無空閑主存塊，則從該作業(yè)中選擇一個頁面淘汰出主存。2. 詳細設(shè)計(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(dāng)作業(yè)被選中時

6、，可把作業(yè)的開始幾頁裝入主存且啟動執(zhí)行。為此，在為作業(yè)建立頁表時，應(yīng)說明哪些頁已在主存，哪些頁尚未裝入主存，頁表的格式如表1： 表1 作業(yè)頁表格式頁號 標(biāo)志主存塊號在磁盤上的位置主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計struct info /頁表 bool flag; 標(biāo)志 /用來表示對應(yīng)頁是否已經(jīng)裝入主存，標(biāo)志位1，則表示頁已經(jīng)在主存，標(biāo)志位0，則表示該頁尚未裝入主存。long block; 主存塊號 /用來表示已經(jīng)裝入主存的頁所站的塊號long disk; 磁盤位置即磁盤塊號/用來指出作業(yè)副本的每一頁被存放在磁盤上的位置 pagelistSizeOfPage; /定義結(jié)構(gòu)體 用來存儲頁表信息 （2）.作業(yè)執(zhí)行時

7、，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(yīng)標(biāo)志為“1”，則表示該頁已在主存，根據(jù)關(guān)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。若訪問的頁對應(yīng)標(biāo)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(shè)計一個“地址轉(zhuǎn)換”函數(shù)work_ex()來模擬硬件的地址轉(zhuǎn)換工作。當(dāng)訪問的頁在主存時，則形成絕對地址。當(dāng)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。（4）.假定主存的每塊長度為128字節(jié)；現(xiàn)有一個共

8、七頁的作業(yè)，在函數(shù)init_ex()中對頁表初始化，將第0頁到第3頁中的內(nèi)容裝入主存中，其余三頁未裝入主存；該作業(yè)的頁表如表2： 表2 主存中頁表格式015011118012219013311021400225002360121如果作業(yè)依次為執(zhí)行的指令序列，作業(yè)執(zhí)行指令序列表，如表3: 表3 作業(yè)執(zhí)行指令序列表操作頁號單元號操作頁號單元號0070移位405310505023×2015存1037存3021取2 078取0056+40016040存6084（5）.在主函數(shù)int main()中調(diào)用函數(shù)work_ex()和函數(shù)init_ex()，實現(xiàn)地址的轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生缺頁中斷。3. 算法設(shè)計

9、函數(shù)名 int main() 功能 實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。流程圖如：圖2所示否是結(jié)束取下一條指令有后繼指令？是輸出絕對地址形成絕對地址否輸出“*”頁號表示發(fā)生缺頁中斷該頁標(biāo)志1？查頁表取指令中訪問的頁號取一條指令開 始圖2 地址轉(zhuǎn)換的主程序流程圖4.結(jié)果顯示：地址轉(zhuǎn)換在主存，輸出絕對地址;不在，輸出*。如圖2所示： 圖2 地址轉(zhuǎn)換 4、 參考資料：計算機操作系統(tǒng)湯子瀛 哲鳳屏 湯小丹 編著 西安電子科技大學(xué)出版社C+程序設(shè)計 吳乃陵 李海文 編著 高等教育出版社C語言程序設(shè)計 譚浩強 編著 清華大學(xué)出版社五、實驗總結(jié)我們的題目是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，主要的思路和步驟就是根據(jù)

10、流程圖走下來的。在這個實驗中由于所學(xué)的知識有限，為了理解在分頁式存儲管理中怎樣實現(xiàn)虛擬存儲器，做了很多知識準(zhǔn)備工作，參考了相關(guān)書籍資料，對怎樣產(chǎn)生和處理缺頁中斷有了一定的了解。在對題目深刻了解后我們就開始編程，在編程中我們遇到許多語法錯誤和語意錯誤，因此，在調(diào)試上運用了大量的時間。但最后在老師和同學(xué)的幫助下，問題都得到了解決，收獲是很大的。而且我在編程是也掌握了不少編程技巧。并在這次的編寫過程中，培養(yǎng)了團結(jié)合作的精神，大家分工合作，共同討論，最終完成了這次設(shè)計。通過做本次實驗，我們對分頁式虛擬存儲管理系統(tǒng)和缺頁中斷有了更深入的認識。在分頁式虛擬存儲系統(tǒng)中是把作業(yè)信息的副本存放在磁盤上。而在請求

11、分頁系統(tǒng)中，每當(dāng)所要訪問的頁面不在內(nèi)存時，便產(chǎn)生一次缺頁中斷，請求OS將所缺之頁調(diào)入內(nèi)存。本次實驗即是做模擬分頁式存儲管理中硬件的地址轉(zhuǎn)換和缺頁中斷。通過編寫模擬硬件的地址轉(zhuǎn)換工作的程序，不僅加深了我們對絕對地址如何轉(zhuǎn)換的理解，同時也鍛煉了我們的編程能力。6、 附錄#include <stdio.h>#include <string.h>#define SizeOfPage 100#define SizeOfBlock 128#define M 4struct info/頁表bool flag; /標(biāo)志long block;/塊號long disk;/在磁盤上的位置pa

12、gelistSizeOfPage;long PM;void init_ex() /把頁表初始化pagelist0.flag=1;pagelist0.block=5;pagelist0.disk=011;pagelist1.flag=1;pagelist1.block=8;pagelist1.disk=012;pagelist2.flag=1;pagelist2.block=9;pagelist2.disk=013;pagelist3.flag=1;pagelist3.block=1;pagelist3.disk=021;pagelist4.flag=0;pagelist4.disk=022;pagelist5.flag=0;pagelist5.disk=023;pagelist6.flag=0;pagelist6.disk=121;void work_ex() bool stop=0; /stop=1,結(jié)束程序;stop=0,繼續(xù)程序long p,q;char s128;doprintf("請輸入指令的頁號和單元號：n");if(scanf("%ld%ld",&p,&q)!=2) /輸入的數(shù)不是兩個數(shù)scanf("%s",s);if (strcmp(s,"exit"