讲解虚拟存储器管理、辅导CS 虚拟存储器程序

虚拟存储器管理

实验目的：

通过本实验帮助同学理解在分页式存储管理中怎样实现虚拟存储器。

实验目标：

模拟分页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断，以及选择页面调度算法处理缺页中断。

实验步骤：

第一题：模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。

[提示]

（1）分页式虚拟存储系统是把作业信息的副本存放在磁盘上，当作业被选中时，可把作业的开始几页先装入主存且启动执行。为此，在为作业建立页表时，应说明哪些页已在主存，哪些页尚未装入主存，页表的格式为：

页号标志主存块号在磁盘上的位置

其中，标志——用来表示对应页是否已经装入主存，标志位=1，则表示该页已经在主存，标志位=0，则表示该页尚未装入主存。

主存块号——用来表示已经装入主存的页所占的块号。

在磁盘上的位置——用来指出作业副本的每一页被存放在磁盘上的位置。

（2）作业执行时，指令中的逻辑地址指出了参加运算的操作存放的页号和偏移量，硬件的地址转换机构按页号查页表，若该页对应标志为“1”，则表示该页已在主存，这时根据关系式：

绝对地址 = 块号 × 块长 + 偏移量

计算出欲访问的主存单元地址。如果块长为2的幂次，则可把块号作为高地址部分，把偏移量作为低地址部分，两者拼接而成绝对地址。若访问的页对应标志为“0”，则表示该页不在主存，这时硬件发“缺页中断”信号，由操作系统按该页在磁盘上的位置，把该页信息从磁盘读出装入主存后再重新执行这条指令。

（3）设计一个“地址转换”程序来模拟硬件的地址转换工作。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，而是输出被转换后的地址即可。当访问的页不在主存时，则输出“* 该页号的页不在主存，产生缺页中断”即可，表示产生了一次缺页中断。

（4）假定主存的每块长度为128个字节；现有一个共七页的作业，其中第0页至第3页已经装入主存，其余三页尚未装入主存；该作业的页表为：

页号标志主存块号在磁盘上的位置

015011

118012

219013

311021

40022

50023

60121

如果作业依次执行的指令序列为：

操作页号偏移量操作页号偏移量

+070移位4053

+150+5023

×215存1037

存321取2078

取056+4001

－640存6084

（5）运行设计的地址转换程序，显示或打印运行结果。因仅模拟地址转换，并不模拟指令的执行，故可不考虑上述指令序列中的操作。

第二题：用先进先出（FIFO）页面调度算法处理缺页中断。

[提示]

（1）在分页式虚拟存储系统中，当硬件发出“缺页中断”后，引出操作系统来处理这个中断事件。如果主存中已经没有空闲块，则可用FIFO页面调度算法把该作业中最先进入主存的一页调出，存放到磁盘上，然后再把当前要访问的页装入该块。调出和装入后都要修改页表中对应页的标志。

（2）FIFO页面调度算法总是淘汰该作业中最先进入主存的那一页，因此可以设计一种数据结构来表示该作业已在主存的页面。当产生缺页中断后，选择首先进入内存的页面调出。再由装入程序把要访问的一页信息装入到主存中。重新启动刚才那条指令执行。

（3）编制一个FIFO页面调度程序，为了提高系统效率，如果应淘汰的页在执行中没有修改过，则可不必把该页调出（因在磁盘上已有副本）而直接装入一个新页将其覆盖。因此在页表中增加是否修改过的标志，为“1”表示修改过，为“0”表示未修改过，格式为：

页号标志主存块号修改标志在磁盘上的位置

由于是模拟调度算法，所以，不实际启动输出一页和装入一页的程序，而用输出调出的页号和装入的页号来代替一次调出和装入的过程。

可把第一题中程序稍作修改，与本题结合起来。

（4）磁盘上，在磁盘上的存放地址以及已装入主存的页和作业依次执行的指令序列都同第一题中（4）所示。于是增加了“修改标志”后的初始页表为：

页号标志主存块号修改标志在磁盘上的位置

0150011

1180012

2190013

3110021

400022

500023

600121

按依次执行的指令序列，运行你所设计的程序，显示或打印每次调出和装入的页号，以及执行了最后一条指令后的数组P（初始定义int p[4]={0,1,2,3}; 定义数组模拟内存）的值。

（5）为了检查程序的正确性，可再任意确定一组指令序列，运行设计的程序，核对执行的结果。

第三题：用最近最少用（LRU）页面调度算法处理缺页中断。

[提示]

（1）在分页式虚拟存储系统中，当硬件发出“缺页中断”后，引出操作系统来处理这个中断事件。如果主存中已经没有空闲块，则可用LRU页面调度算法把该作业中最先进入主存的一页调出，存放到磁盘上，然后再把当前要访问的页装入该块。调出和装入后都要修改页表中对应页的标志。

（2）LRU页面调度算法总是淘汰该作业中距现在最久没有访问过的那一页，选择书中LRU实现中阐述的方法中的一种，来表示某个页是最久未使用的页。当产生缺页中断后，选择LRU的页面调出。再由装入程序把要访问的一页信息装入到主存中。重新启动刚才那条指令执行。

（3）编制一个LRU页面调度程序，为了提高系统效率，如果应淘汰的页在执行中没有修改过，则可不必把该页调出。参看第二题中提示（3）。模拟调度算法不实际启动输出一页和装入一页的程序，而用输出调出的页号和装入的页号来代替。

把第一题中的程序稍作改动，与本题集合起来。

（4）按第一题中提示（4）的要求，建立一张初始页表，表中为每一页增加“修改标志”位（参考第二题中提示（4））。然后按依次执行的指令序列，运行你所设计的程序，显示或打印每次调出和装入的页号，以及执行了最后一条指令后的数组P中的值。

（5）为了检查程序的正确性，可再任意确定一组指令序列，运行设计的程序，核对执行的结果。