實(shí)驗(yàn)四 頁式虛擬存儲管理中地址轉(zhuǎn)換和頁式中斷 FIFO LRU OPT C++版本

1、實(shí)驗(yàn)四 頁式虛擬存儲管理中地址轉(zhuǎn)換和頁式中斷 FIFO一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳钊肓私忭撌酱鎯芾砣绾螌?shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換；進(jìn)一步認(rèn)識頁式虛擬存儲管理中如何處理缺頁中斷以及頁面置換算法。二、實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容編寫程序完成頁式虛擬存儲管理中地址轉(zhuǎn)換過程和模擬缺頁中斷的處理。實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容包括：首先對給定的地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換工作，若發(fā)現(xiàn)缺頁則先進(jìn)行缺頁中斷處理，然后再進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換；最后編寫主函數(shù)對所做工作進(jìn)行測試。假定主存64KB，每個(gè)主存塊1024字節(jié)，作業(yè)最大支持到64KB，系統(tǒng)中每個(gè)作業(yè)分得主存塊4塊。三、實(shí)驗(yàn)原理1）地址轉(zhuǎn)換過程：首先從邏輯地址中的高位取得頁號，然后根據(jù)頁號查頁表，得到塊號；然后從邏輯地址中的低位取得頁內(nèi)地

2、址，將塊號和頁內(nèi)地址合并即得到物理地址。2）缺頁中斷處理根據(jù)頁號查找頁表，判斷該頁是否在主存儲器中，若該頁標(biāo)志位“0”，形成缺頁中斷。操作系統(tǒng)讓調(diào)出中斷處理程序處理中斷。四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換與缺頁中斷處理，主要考慮三個(gè)問題：第一，設(shè)計(jì)頁式虛擬存儲管理方式中頁表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；第二，地址轉(zhuǎn)換算法的實(shí)現(xiàn)；第三，缺頁中斷處理算法的實(shí)現(xiàn)。1)         設(shè)計(jì)頁表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)頁式虛擬存儲管理方式中頁表除了頁號和該頁對應(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)

3、志（該頁是否修改過）。在實(shí)驗(yàn)中頁表用數(shù)組模擬，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：struct int lnumber; /頁號 int flag; /表示頁是否在主存中，“1”表示在，“0”表示不在 int pnumber; / 該頁所在主存塊的塊號 int write; /該頁是否被修改過，“1”表示修改過，“0“表示沒有修改過 int dnumber; /該頁存放在磁盤上的位置，即磁盤塊號pagen; /頁表定義2）地址轉(zhuǎn)換算法的實(shí)現(xiàn) 地址轉(zhuǎn)換是由硬件完成的，實(shí)驗(yàn)中使用軟件程序模擬地址轉(zhuǎn)換過程。在實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)主存塊1024字節(jié)，則塊內(nèi)地址占10位；主存64KB，則主存共64塊，即塊號占6位；物理地址共占

4、16位；作業(yè)最大64KB，則作業(yè)最大占64塊，即頁號占6位，邏輯地址共占16位。（用主存的大小計(jì)算物理地址位數(shù)，用最大作業(yè)大小計(jì)算邏輯地址位數(shù)）。在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(shí)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(shí)若訪問的頁面在主存中，則進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，若訪問的頁面不在主存中，則產(chǎn)生一個(gè)“缺頁中斷”，由操作系統(tǒng)把當(dāng)前所需要的頁面裝入主存儲器后，再次執(zhí)行時(shí)才可以按上述方法進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。              

5、60;         模擬地址轉(zhuǎn)換流程度3）  缺頁中斷處理算法的實(shí)現(xiàn)缺頁處理過程簡單闡述如下：a) 根據(jù)當(dāng)前執(zhí)行指令中邏輯地址的頁號查找頁表，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。b) 操作系統(tǒng)處理缺頁中斷的方法及時(shí)查主存分配表，找一個(gè)空閑主存塊；若無空閑塊，查頁表，選擇一個(gè)已在主存的頁面，把它暫時(shí)調(diào)出主存。若在執(zhí)行過程中該頁被修改過，則需將該頁信息寫回磁盤，否則不比寫回；c) 找出該頁的位置，啟動磁盤讀出該頁的

6、信息，把磁盤上讀出的信息裝入第2不找到的主存塊，修改頁表中該頁的標(biāo)志為“1”；d) 由于產(chǎn)生缺頁中斷的那條指令還沒有執(zhí)行完，所以頁面裝入后應(yīng)該重新執(zhí)行被中斷的指令。當(dāng)重新執(zhí)行該指令時(shí)，由于要訪問的頁面已在主存中，所以可以正常執(zhí)行。關(guān)于第二步的查找裝入新頁面的主存塊處理方式，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(gè)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(gè)頁面淘汰出主存。實(shí)驗(yàn)中采用局部置換算法。使用局部置換算法時(shí)，存在這樣一個(gè)問題：就是在分配給作業(yè)主存空間時(shí)，裝入哪些頁？有的系統(tǒng)采取不裝入任何一頁，當(dāng)執(zhí)行過程中需要時(shí)才將其調(diào)入

7、。有點(diǎn)系統(tǒng)采用頁面預(yù)置的方法，事先估計(jì)可能某些頁面會先用到，在分配主存塊后將這些頁面裝入。在本實(shí)驗(yàn)中采用第二種方法，分配主存空間時(shí)將前幾頁調(diào)入主存，假定系統(tǒng)中每個(gè)作業(yè)分得主存塊m 塊，則將第 0m-1頁裝入主存。因?yàn)槭悄M硬件工作，所有在實(shí)驗(yàn)中如果訪問的頁不再主存中時(shí)，則輸入該頁頁號，表示硬件產(chǎn)生缺頁中斷，然后直接轉(zhuǎn)去缺頁中斷處理；由于采用頁面預(yù)置方法，在給定的主存塊中一定無空閑塊，只能淘汰已在主存的一頁；沒有啟動磁盤的工作，淘汰的頁面需要寫回磁盤時(shí)，用輸入頁號表示，調(diào)入新的一頁時(shí)，將該頁在頁表中的存在標(biāo)志置為“1”，輸出頁號表示將該頁調(diào)入主存。當(dāng)主存中無空閑塊時(shí)，為裝入一個(gè)頁面，必須按照某種

8、算法從已在主存的頁中選擇一頁，將它暫時(shí)調(diào)出主存，讓出主存空間，用來存放裝入的頁面，這個(gè)工作稱為“頁面調(diào)度”。常用的頁面調(diào)度算法有：先進(jìn)現(xiàn)出、最近最少用算法、和最近最不常用算法。在本實(shí)驗(yàn)中采用先進(jìn)現(xiàn)出調(diào)度算法。先進(jìn)現(xiàn)出算法總是選擇駐留在主存時(shí)間最長的一頁調(diào)出。實(shí)驗(yàn)中把主存儲器的頁的頁號按照進(jìn)入主存的先后次序拍成隊(duì)列，每次總是調(diào)出對首的頁，當(dāng)裝入一個(gè)新頁后，把新頁的頁號排入對尾。實(shí)驗(yàn)中，用一個(gè)數(shù)組存放頁號的隊(duì)列。假定分配給作業(yè)的主存塊數(shù)為m，數(shù)組可由m個(gè)元素組成，p0,p1,p2pm-1;對首指針head;采用頁面預(yù)置的方法，頁號隊(duì)列的長度總是m，tail等于(head+1)%m。因此可以使用一個(gè)

9、指針，只用head即可。在裝入一個(gè)新的頁時(shí)，裝入頁和淘汰頁同時(shí)執(zhí)行，當(dāng)裝入一個(gè)新的頁時(shí)，將其頁號存入數(shù)組：淘汰頁的頁號phead;phead=新裝入頁的頁號；head=(head+1)%m;實(shí)驗(yàn)執(zhí)行一條指令時(shí)，不模擬指令的執(zhí)行，只是考慮指令執(zhí)行是否修改頁面，若修改頁面，則將該頁的頁表中的修改標(biāo)志位置“1”，然后輸出轉(zhuǎn)換后的物理地址，并輸出物理地址來表示一條指令執(zhí)行完成；如果訪問的頁不在主存時(shí)，則產(chǎn)生缺頁中斷，然后直接轉(zhuǎn)去缺頁中斷處理，最后模擬中斷返回，就是返回沖進(jìn)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。因?yàn)闆]有實(shí)際主存，所有在模擬程序中首先手工輸入頁表信息，創(chuàng)建該作業(yè)的頁表；然后循環(huán)執(zhí)行假定的指令，觀察地址轉(zhuǎn)換情況。五

10、、練習(xí)題采用LRU頁面調(diào)度算法編程實(shí)現(xiàn)上述虛擬頁式存儲管理的地址轉(zhuǎn)換。源代碼#include<iostream.h>#define n 64 /頁表的最大長度#define length 4 /系統(tǒng)為每個(gè)作業(yè)分配的主存塊數(shù)structint lnumber; /頁號int flag; /表示頁是否在主存中，“1”表示在，“0”表示不在int pnumber; / 該頁所在主存塊的塊號int write; /該頁是否被修改過，“1”表示修改過，“0“表示沒有修改過int dnumber; /該頁存放在磁盤上的位置，即磁盤塊號pagen; /頁表定義int m;int page_len

11、gth; /頁表的實(shí)際長度int plength; /用向量模擬主存int head;void page_interrupt(int); /缺頁中斷處理函數(shù)void command(unsigned, int); /命令處理函數(shù)void main()int lnumber,pnumber,write,dnumber;unsigned laddress;int i;cout<<"輸入頁表的信息，創(chuàng)建頁表（頁號從0開始，若頁號為1，則結(jié)束輸入）n"cout<<"請輸入頁號和輔存地址："cin>>lnumber>>

12、;dnumber;cin.ignore ();i=0;while(lnumber!=-1)pagei.lnumber=lnumber;pagei.flag=0;pagei.write=0;pagei.dnumber=dnumber;i+;cout<<"請輸入頁號和輔存地址:"cin>>lnumber>>dnumber;/預(yù)先將輸入的頁調(diào)入主存塊中page_length=i;cout<<"輸入主存塊號(輸入少于或者等于"<<i<<"個(gè)數(shù)據(jù)，若塊號數(shù)為1，則結(jié)束輸入):&quo

13、t;cin>>pnumber; cin.ignore ();m=0;head=0;while(m<length&&pnumber!=-1)if(m<i)pagem.pnumber=pnumber;pagem.flag=1;/調(diào)入主存后，標(biāo)志為置1pm=m; /記錄主存中的頁號m+;cout<<"輸入主存塊號(輸入少于或者等于"<<i<<"個(gè)數(shù)據(jù)，若塊號數(shù)為1，則結(jié)束輸入):"cin>>pnumber; cin.ignore (); /whilecout<<

14、"輸入指令性質(zhì)（1修改，0不需要，其他結(jié)束程序運(yùn)行）和邏輯地址n"<<"邏輯地址最大能支持2的16次方165535。n"cout<<"輸入指令性質(zhì)："cin>>write;cin.ignore ();cout<<"輸入邏輯地址："cin>>laddress;cin.ignore ();while(write=0|write=1)command(laddress,write); /將輸入的邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址cout<<"輸入指令性質(zhì)

15、："cin>>write;cin.ignore ();if(write!=0&&write!=1) break;cout<<"輸入邏輯地址："cin>>laddress;cin.ignore ();/while/main/*中斷處理函數(shù)，采用先進(jìn)先出的頁面調(diào)度算法*/void page_interrupt(int lnumber) int j;cout<<"發(fā)生缺頁中斷"<<lnumber<<endl;j=phead;phead=lnumber;head=(

16、head+1)%m;if(pagej.write=1)cout<<"將頁 "<<j<<" 寫回磁盤第 "<<pagej.dnumber<<" 塊！n"pagej.flag=0;pagelnumber.pnumber=pagej.pnumber;pagelnumber.flag=1;pagelnumber.write=0;cout<<"淘汰主存塊 "<<pagej.pnumber<<" 中的頁 "<

17、;<j<<" ,從磁盤第 "<<pagelnumber.dnumber<<" 塊中調(diào)入頁 "<<lnumber<<endl;/*地址轉(zhuǎn)換函數(shù)，將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，如果要查找的頁不在主存當(dāng)中則產(chǎn)生缺頁中斷*/void command(unsigned laddress,int write) unsigned paddress,ad,pnumber;int lnumber;kk:lnumber=laddress>>10; /取邏輯地址高6位，頁號ad=laddress&

18、;0x3ff; /頁內(nèi)地址cout<<"該邏輯地址的頁號為："<<lnumber<<" 頁內(nèi)地址為："<<ad<<endl;if(lnumber>=page_length) /頁號大于頁表的長度，則無效頁號cout<<"該頁不存在！n"return;if(pagelnumber.flag=1) /頁號為lnumber 在內(nèi)存當(dāng)中 pnumber=pagelnumber.pnumber;paddress=pnumber<<10|ad;cout<

19、;<"邏輯地址是："<<laddress<<" 對應(yīng)物理地址是："<<paddress<<endl;if(write=1) /該頁被修改過pagelnumber.write=1;else /頁號為lnumber不在內(nèi)存當(dāng)中，則產(chǎn)生缺頁中斷page_interrupt(lnumber);goto kk;/command頁式存儲管理OPT ，LRU實(shí)驗(yàn)報(bào)告 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆辗猪撌酱鎯芾淼幕靖拍詈蛯?shí)現(xiàn)方法。要求編寫一個(gè)模擬的分頁式管理程序，并能對分頁式存儲的頁面置換算法進(jìn)行編寫和計(jì)算各個(gè)算法的缺頁率。

20、二、程序設(shè)計(jì)：首先創(chuàng)建頁面鏈指針數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)頁面映像表，采用數(shù)組的方法給定頁面映像。申請緩沖區(qū)，將一個(gè)進(jìn)程的邏輯地址空間劃分成若干個(gè)大小相等的部分，每一部分稱做頁面或頁。每頁都有一個(gè)編號，叫做頁號，頁號從0開始依次編排，如0，1，2。設(shè)置等大小的內(nèi)存塊。初始狀態(tài)：將數(shù)據(jù)文件的第一個(gè)頁面裝入到該緩沖區(qū)的第0塊。設(shè)計(jì)頁面置換算法，這里分別采用最佳頁面置換算法OPT和最近最久未使用置換算法LRU,并分別計(jì)算它們的缺頁率，以比較它們的優(yōu)劣。三、算法說明： 執(zhí)行程序時(shí)，當(dāng)主存沒有可用頁面時(shí)，為了選擇淘汰主存中的哪一頁面，騰出1個(gè)空閑塊以便存放新調(diào)入的頁面。淘汰哪個(gè)頁面的首要問題是選擇何種置換算法。該

21、程序采用人工的方法選擇，依置換策略選擇一個(gè)可置換的頁，并計(jì)算它們的缺頁率以便比較。/*分頁式管理實(shí)驗(yàn)-源程序*/#include<stdlib.h>#include<conio.h>#include<stdio.h>#include<string.h>#define N 16#define num 5 /*進(jìn)程分配物理塊數(shù)目*/int AN=1,2,3,4,5,6,7,8,5,2,3,2,7,8,1,4; /*頁表映像*/typedef struct page int address; /*頁面地址*/struct page *next; pag

22、e;struct page *head,*run,*rear;void jccreat() /*進(jìn)程分配物理塊*/ int i=1;page *p,*q;head=(page *)malloc(sizeof(page); p=head;for(i=1;i<=num;i+)q=(page *)malloc(sizeof(page);p->next=q; q->address=0; q->next=NULL;p=q; rear=p;int search(int n)page *p;int i=0;p=head;while(p->next)if(p->next-&

23、gt;address=n)printf("Get it at the page %dn",i+1);run=p;return 1;p=p->next;i+;return 0;void changeOPT(int n,int position)int i;int total=0;int flag=1;int distancenum;int MAX;int order=0;page *p,*q;p=head->next;q=head->next;for(i=0;i<num;i+)distancei=100;i=0;while(p)if(p->add

24、ress=0)flag=0;break;p=p->next;i+;if(!flag)p->address=n;printf("Change the page %dn",i+1);elsewhile(q)for(i=position;i<N;i+)if(q->address=Ai)distancetotal=i-position;total+;q=q->next;MAX=distance0;for(i=0;i<num;i+)if(distancei>MAX)MAX=distancei;order=i;printf("Chan

25、ge the page %dn",order+1);i=0;while(p)if(i=order)p->address=n;i+;p=p->next;void changeLRU(int n)int i=0;int flag=1;page *p,*delect;p=head->next;while(p)if(p->address=0)flag=0;p->address=n;printf("Change the page %dn",i+1);break;p=p->next;i+;if(flag)delect=head->next;head->next=delect->next;printf("Delect from the head, and add new to the end.n");delect->address=n;rear->next=delect;rear=delect;rear->next=NULL;float OPT()int i;int lose=0;float losef;float percent;for(