设计性实验(四)实验报告

实验报告
09 软件卢建成6号曾繁基7号
一．实验题目
模拟分页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断，以及用先进先出（FIFO）页面调度算法处理缺页中断。

二．实验目的
（1）理解在分页式存储管理中怎样实现虚拟存储器；
（2）掌握分页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断；
（3）学会如何用先进先出（FIFO）页面调度算法处理缺页中断；
（4）加深对存储管理的作用和工作原理的理解；
（5）进一步认识主存空间的分配和回收方法。

三．实验内容以及要求
本实验的目的是通过设计和调试一个简单请求分页式系统，加深对虚拟存储管理中页面调度算法FIFO、LRU等的理解。

具体要求如下：
（1）设计一个模拟请求分页式的系统；
（2）采用FIFO或LRU页面置换算法；
（3）根据输入的页面访问次序，及初始分配的块数，进行模拟；
（4）如果发生页面置换则将置换出的页面显示出来，并显示该页面是否被修改等信息。

四．实验环境
操作系统：Windows 7
开发语言：VC++
开发工具：Microsoft Visual C++ 6.0
五．问题分析
请求页式存储管理主要需要解决以下问题：
系统如何获知进程当前所需页面不在主存；当发现缺页时，如何把所缺页面调入主存；当主存中没有空闲的页框时，为了要接受一个新页，需要把老的一页淘汰出去，根据什么策略选择欲淘汰的页面。

本程序中采用先来先服务的淘汰方式。

各进程的虚拟空间被划分成若干个长度相等的页。

页长的划分和内存外存之间的数据传输速度以及内存大小等有关。

页式管理还把内存空间也按页的大小划分为页面，然后把
页式虚拟地址与内存页面物理地址建立一一对应页表，并用相应的硬件地址变换机构，来解决离散地址变换问题。

在作业或进程开始执行之前，把该作业或进程的程序段和数据全部装入内存的各个页面中，并通过页表和硬件地址变换机构实现虚拟地址到内存物理地址的地址映射。

六．设计思想
页式虚拟存储管理是在页式存储管理的基础上实现的，首先把作业信息作为副本存放在磁盘上，作业执行时，把作业信息的部分页面装入主存储器，作业执行时若所访问的页面已经在主存中，则进行地址转换，得到绝对地址，否则产生“缺页中断”由操作系统把当前所需的页面装入主存。

在页式虚拟存储系统中，把虚拟空间分成页，称为逻辑页；内存空间也分成同样大小的页，称为物理页。

假设逻辑页号为0，1，2 ，……，m，物理页号为0，1，……，n，显然有m>n。

由于页的大小都取2的整数幂个字，所以，页的起点都落在低字段为零的地址上。

因此，虚存地址分为两个字段：高位字段为逻辑页号，低位字段为页内行地址，实存地地址也分两个字段：高位字段为物理页号，低位字段为页内行地址。

由于两者的页面大小一样，所以页内行地址相等。

虚拟地址到主存实地址的变换是由放在主页的页表来实现。

在页表中，对应每一个虚存逻辑页号有一个表目，表目内容至少要包含该逻辑页所在的主存页面地址(物理页号)，用它作为主存地址的高字段，与虚存地址的页内行地址字段相拼接，就产生了完整的实主存地址据此来访问主存。

页式管理的地址变换如图1所示。

如访问该逻辑页就要产生页面失效中断，启动输入输出子系统，根据页表项目中查得的外存地址，由磁盘等外存中读出新的页到主存中来。

修改位指出主存页面中的内容是否被修改过，替换时是否要写主存，替换控制位指出需替换的页等。

七．实验系统结构
1.实验算法流程图
2.算法设计
（1）该程序可分为以下几个模块：
int main();//主函数
void Init();//初始化程序
void Display();//显示页表情况的函数
void Input();//输入指令程序
void Check(int t);//查页表程序
void Inter(int m);//缺页中断处理程序
void Comp(int w);//处理绝对地址函数
void Change();//修改页表函数
（2）主要函数模块分析
1）地址变换函数：输入指令进行操作的页号和单元号，判断该页是否在主存中。

若在，则直接计算绝对地址并输出，否则发生缺页中断。

输出指令执行后的页表情况后再询问用户是否还有后继指令。

void Comp(int w){//绝对地址函数
int address=Page[w][2]*1024+unit;// 计算绝对地址
if(oper=='C') {Page[w][3]=1;}//C代表存，如果是存指令，置L页的修改标志为1
cout<<"绝对地址："<<address<<endl; //输出绝对地址
cout<<"-----------------指令执行后页表情况如下------------------"<<endl;
Display();//输出指令执行后的页表情况
cout<<endl<<"还有后继指令吗1：有，0：无"<<endl;//提示还有后继指令吗，为有，为无
cin>>temp;
}
2）缺页中断处理函数：当用户输入操作判断该页不在主存上时，发生缺页中断，输出“该页页号*”，并模拟FIFO进行页面调度算法把该作业中最先进入主存的一页调出，存放在磁盘上，然后再把当前要访问的页装入该块。

void Inter(int m){ //缺页中断处理程序
cout<<"该页页号* "<<m<<endl;//输出该页页号
//模拟FIFO页面调度
J=P[k]; //暂存P[k]值
if(Page[J][3]==1)//判断J页的修改标志是否为1
cout<<"OUT "<<J<<endl;//是的话，输出OUT J
cout<<"IN "<<L<<endl;//L页进入主存空间
P[k]=L; //修改P[k]为当前指令中的页号L
Change();//调用修改页表函数，进行页表修改
k=(k+1)%N_z;//k值修改
Check(L);//继续查看页表
}
3）修改页表函数：当一个页面调出和装入后都需要修改页表中对应页的标志。

void Change(){ //修改页表函数
int p;
for(int i=1;i<=2;i++)
{p=Page[L][i];//修改页标志、主存块号
Page[L][i]=Page[J][i];
Page[J][i]=p;
}
}
八．实验运行结果
（1）运行程序得到初始化界面如下：
（2）用户按提示输入相应的指令，若指令输入后系统判断该页在主存上，则显示结果如下：
（3）若用户输入指令后系统判断该页不在主存上，此时显示结果如下：
（4）当运行完后，系统提示是否还有后继指令，若选择0：无，则该系统自动关闭。

调试过程:
（1）在编写代码时，数据是按照实验指导书上的进行初始化的，在初次运行时，在磁盘上的位置显示的数字被系统理解成八进制了，于是，数据被更改了。

后来查了相关资料了解
到，由于本实验页表中的数据全部为整型，所以最后将元素“在磁盘上的位置”的输入和输出均舍去前面的0，否则将会以八进制处理。

（2）调试过程中，遇到了很多问题。

先是分配（创建）物理块问题，然后是如何实现FIFO 调度的问题，当程序调试到可运行的时候时，发现输出的结果不对。

而且当一组数据结果正确时，用另一组数据时又出现结果错误。

经过一次次的调试和修改，以及多组数据的测试后，终于完成了实验。

九．实验总结
通过这次实验，我了解了虚拟内存技术的特点，请求页式存储管理方式是一种实现虚拟存储器的方式，是指在进程开始运行之前，不是装入全部页面，而是装入一个或零个页面，之后根据进程运行的需要，动态装入其它页面。

当内存空间已满，而又需要装入新的页面时，则根据某种算法淘汰某个页面，以便装入新的页面。

并在此基础上掌握了请求分页式存储管理的页面置换算法，对课堂所学的知识进一步加深，将理论上的东西亲手进行了实践。

从实验中，进一步加深了对操作系统的内部运作情况的了解，使自己真正懂得了什么叫做操作系统，以及操作系统在计算机中的重要地位，可以说，一个好的操作系统需要具备最优化的调用系统资源，对各个作业进行最佳的调度，缩短作业的周转时间和等待时间，并且让CPU等硬件资源的利用率达到最佳，从而使计算机的性能达到最佳状态。

同时，在这次实验中用到了很多别的知识，是一次对所学知识的复习以及对新知识的挖掘。

十．参考文献
1．(荷兰)AnderwS.Tanenbaum著陈向群马洪乒等译《现代操作系统》机械工业出版社
2. 操作系统实验指导书-2010。