本科实验报告
课程名称：操作系统 实验项目：存储管理程序设计
实验地点：
专业班级：学号：
学生姓名：
指导教师：B
20xx年 11月
目录
存储管理程序设计
一、实验目的和要求 ...................................................................................... 1
二、实验内容及原理 ...................................................................................... 1
三、实验仪器及设备 ...................................................................................... 3
四、操作方法与实验步骤 ............................................................................. 3
五、实验数据记录和处理 ............................................................................. 3
六、实验结果分析 .......................................................................................... 8
七、实验感想 ................................................................................................... 9
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实验三 存储管理程序设计
一、实验目的和要求
（一） 目的
存储管理的主要功能之一是合理地分配主存空间。请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。
本实验的目的是通过请求页式存储管理中页面置换算法的模拟设计，来了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。
（二） 要求
模拟页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断的处理过程，并用先进先出调度算法（FIFO）处理缺页中断。
二、实验内容及原理
(1) 为了装入一个页面而必须调出一页时，如果被选中调出的页面在执行中没有修改过，则不必把该页重新写到磁盘上（因磁盘上已有副本）。因此，在页表中可以增加是否修改过的标志，当执行“存”指令、“写”指令时把对应页的修改标志置成“1”，表示该页修改过，否则为“0”，表示该页未修改过。页表格式如表3-1所示。
表3-1 页表格式
(2) 设计一个地址转换程序来模拟硬件的地址转换和缺页中断处理过程。当访问的页在主存时则形成绝对地址，但不去模拟指令的执行，可用输出转换后的绝对地址来表示一条指令已完成。当访问的页不在主存时则输出“*该页页号”来表示硬件产生了一次缺页中断。模拟地址转换的程序流程如图3-1所示。
(3) 编制一个FIFO页面调度程序。FIFO页面调度算法总是先调出作业中最先进入主存的那一页，因此，可以用一个数组来构成页号队列。数组中每个元素是该作业已在主存的页面号，假定分配给作业的主存块数为m，且该作业开始的m页已装入主存，则数组可由m个元素组成：
P[0]，P[1]，?，P[m-1]
它们的初值为
P[0]∶=0，P[1]∶=1，?，P[m-1]∶= m-1
用一指针k指示当要装入新页时应调出的页在数组的位置，k的初值为“0”。
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图3-1 地址转换和FIFO页面调度流程
当产生缺页中断后，操作系统总是选择P[k]所指出的页面调出，然后执行
P[k]∶=要装入的新页页号
k∶=（k+1）mod m
在实验中不必实际地启动磁盘执行调出一页和装入一页的工作，而用输出“OUT调出的页号”和“IN要装入的新页页号”来模拟一次调出和装入的过程。模拟程序的流程见图3-1。
(4) 假定主存的每块长度为1024个字节，现有一个共7页的作业，其副本已在磁盘上。系统为该作业分配了4块主存块，且该作业的第0页至第3页已经装入主存，其余3页尚未装入主存，该作业的页表见表3-2所示。
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表3-2 作业的页表
如果该作业依次执行的指令序列如表3-3所示。
表3-3 作业依次执行的指令序列
依次执行上述的指令序列来调试你所设计的程序（仅模拟指令的执行，不必考虑指令序列中具体操作的执行）
(5) 为了检查程序的正确性，可自行确定若干组指令序列，运行设计的程序，核对执行结果。
三、实验仪器及设备
计算机一台、c++6.0编程软件
四、操作方法与实验步骤
1．编写源程序 2. 编译运行
五、实验数据记录和处理
源程序： #include <iostream> #include <iostream.h> #include <iomanip.h> #include <ctype.h>
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#define N 6//实验中假定的页表长度
#define M 4 //主存物理块数
struct
{intlnumber; //页号
int flag; //表示该页是否在主存，"1"表示在主存，"0"表示不在主存
intpnumber; //该页所在主存块的块号
int write; //该页是否被修改过，"1"表示修改过，"0"表示没有修改过
intdnumber; //该页存放在磁盘上的位置，即磁盘块号
}page[N]; //页表定义
int p[M]; //用数组模拟]FIFO算法中的队列(使用循环队列)
int head;
void initial(void);
intdo_mmap(int); //模拟地址转换
void do_page_fault(int); //缺页中断处理程序
void run_first_instructon(int); //执行进程的第一条指令
void run_a_instruction(int); //CPU执行一条指令
void print_page_and_fifoqueue(void); //输出页表和FIFO队列
main()
{
intladdress, paddress; //逻辑地址，物理地址
intlnumber, ad, pnumber; //页号，页内地址和物理块号
initial();
print_page_and_fifoqueue(); //输出页表和FIFO队列
run_first_instructon(0x0000); //运行进程的第一条指令的地址
cout<<"输入下一条指令的逻辑地址(0~32767)(-1 to end)"<<endl;
cin>>laddress;
while(laddress>32767){
cout<<"输入错误! 请重新输入下一条指令的逻辑地址(0~32767)(-1 to end)"<<endl; cin>>laddress;
}
while(laddress!=-1){
lnumber=laddress>>10; //取逻辑地址的页号lnumber
if(page[lnumber].flag==1){ //指令所在的页面已装入在内存中
paddress=do_mmap(laddress); //形成物理地址
cout<<paddress<<"输出转换后的物理地址"<<endl;
run_a_instruction(paddress);
cout<<"此指令执行是否修改所在页lnumber="<<lnumber<<"(y/n?) ";
char change;
cin>>change;
if(tolower(change)=='y'){
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page[lnumber].write=1; print_page_and_fifoqueue();
}
}
else{ //缺页中断
cout<<lnumber<<"输出该页的页号－－表示硬件产生缺页中断"<<endl; do_page_fault(lnumber);//直接转去缺页中断处理
continue; //本循环结束，重新执行指令
}
cout<<"输入下一条指令的逻辑地址((0~32767)，-1 to end)\n";
cin>>laddress;
while(laddress>32767){ //输入正确性检测
cout<<"输入错误! 请重新输入下一条指令的逻辑地址(0~32767)(-1 to end)"<<endl;
cin>>laddress;
}
}
cout<<"进程运行结束!"<<endl;
system("PAUSE");
return 0;
}
//手工初始化页表和p[M]队列
void initial(void)
{
int i;
for(i=0; i<=5; i++){
page[i].lnumber=i;
if(i<=M-1){ //预装入算法初始化页表的前四项
cout<<"输入页号为 "<<i<<" 所在内存的物理块号(预装入前四个页面)："; cin>>page[i].pnumber;
page[i].flag=1; //存在标志置1
}
}
//初始化FIFO的队列
head=0;
for(i=0; i<=M-1; i++)
p[i]=i;
}
//输出页表和FIFO队列
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voidprint_page_and_fifoqueue(void)
{
int i;
cout<<"输出页表！\n";
cout<<setw(10)<<"lnumber"<<setw(9)<<"flag"<<setw(10)<<"pnumber"
<<setw(10)<<"write"<<setw(10)<<"dnumber"<<endl;
for(i=0; i<=N-1; i++)
cout<<setw(7)<<page[i].lnumber<<setw(10)<<page[i].flag<<setw(10)<<page[i].pnumber <<setw(10)<<page[i].write<<setw(10)<<page[i].dnumber<<endl;
cout<<"输出FIFO对列:\n";
cout<<setw(10)<<"NO"<<setw(40)<<"page(已在主存的页号lnumber)\n";
cout<<"head="<<head<<endl;
for(i=0; i<=M-1;i++)
cout<<setw(10)<<i<<setw(15)<<p[i]<<endl;
}
//模拟地址转换
intdo_mmap(intladdress)
{
intlnumber, ad, pnumber, paddress;
lnumber=laddress>>10; //取逻辑地址的页号lnumber
ad=laddress&0x3ff; //页内地址
pnumber=page[lnumber].pnumber; //从页表中取得块号pnumber
paddress=pnumber<<10|ad;
returnpaddress;
}
//CPU执行一条指令，输出物理地址表示指令执行完成
voidrun_a_instruction(intpaddress)
{
cout<<paddress<<" 输出物理地址－－表示指令执行完成"<<endl;
}
//执行进程的第一条指令
voidrun_first_instructon(intladdress)
{
intlnumber, ad, pnumber, paddress;
lnumber=laddress>>10; //取逻辑地址的页号
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if(page[lnumber].flag==1)
paddress=do_mmap(laddress); //形成物理地址
cout<<paddress<<"输出转换后的物理地址"<<endl;
run_a_instruction(paddress);
cout<<"此指令执行(0x0000)是否修改所在页面lnumber="<<lnumber<<"(y/n?) ";
char change;
cin>>change;
if(tolower(change)=='y'){ //若指令执行完时修改了页面，则置write标志位位1 page[lnumber].write=1;
print_page_and_fifoqueue();
}
cout<<"********第一条指令执行完成(地址为0x0000)***********"<<endl;
}
//页面写回磁盘
voidwrite_to_harddisk(int j)
{
cout<<j<<"输出已修改的淘汰的页号－－表示该页写回了磁盘"<<endl;
}
//缺页中断处理程序
voiddo_page_fault(intlnumber)
{
int j; //j是选择淘汰的页
j=p[head];
p[head]=lnumber; //lnumber是新装入的页号
head=(head+1)%M;
//若淘汰出主存的页j已修改，则写会磁盘
if(page[j].write==1)
write_to_harddisk(j); //页j写回磁盘
//修改页表
page[j].flag=0; //页表中第j页的存在标志为0
page[lnumber].flag=1; //页表第lnumber的存在标志为1
page[lnumber].write=0; //页表第lnumber的修改标志为0
page[lnumber].pnumber=page[j].pnumber; //第拉怒目布尔页的主存块号为第j页原主存块号
cout<<lnumber<<"输出该页－－表示该页调入了主存"<<endl;
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cout<<"按任意键将查看“页面置换”之后的页表page[N]和FIFO队列信息"<<endl; system("PAUSE");
print_page_and_fifoqueue();
}
六、实验结果分析
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七、实验感想
本实验是通过请求页式存储管理中页面置换算法的模拟设计，来了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式存储管理页面置换算法。该程序通过查找页表，得到该页所在外存的物理块号。如果此时内存未满，能容纳新页，则启动磁盘I/O将所缺之页调入内存，然后修改页表。如果内存已满，则须按某种置换算法从内存中选出一页准备换出，是否重新写盘由页表的修改位决定，然后将缺页调入，修改页表。利用修改后的页表，去形成所要访问数据的物理地址，再去访问内存数据。整个页面的调入过程对用户是透明的。先进先出算法总是最先淘汰最先进入内存的页面，比较简单，容易理解，即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。该算法是把一个进程已调入内存的页面，按先后次序链接成一个队列，并设置一个置换指针，使它总是指向最老页面。CPU接收到缺页中断信号，中断处理程序先保存现场，分析中断原因，转入缺页中断处理程序。在编写程序时，还要设置一个缺页中断指针，当出现缺页时指针增一，最后通过总页数和缺的页数，算出缺页率。通过本实验，更深刻的了解了存储器的管理方式，还有页表置换算法的认知，通过不同的算法来对内存的页面进行管理。另外，编程之前要做好整体规划，充分掌握整个程序下各个小模块的功能和他们之间调度的关系，先实现各个模块子程序，这样效率很高。
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