操作系统、存储器实验

### 操作系统存储器实验知识点解析 #### 一、实验目的及要求 ##### 实验目的 本次实验的主要目的是深入理解操作系统中的存储器管理机制，尤其是请求页式存储管理中的页面置换算法。通过动手实践，加深对虚拟存储技术的理解，熟悉各种页面置换算法的工作原理。 ##### 实验要求 1. **指令序列生成**： - 生成一个包含320条指令的序列，按照特定的比例分布：50%顺序执行，25%在低地址区域随机分布，另外25%在高地址区域随机分布。 - 具体步骤包括随机选择起点、顺序执行、以及在特定地址范围内随机选择执行等。 2. **指令序列转换**： - 将上述指令序列转换为页地址流，其中页面大小设定为1K，内存容量可变（4页至32页），虚拟内存容量为32K。 - 指令在虚拟内存中的布局是每K存储10条指令，即每1K空间可存储10条指令，整个320条指令分布于32页中。 3. **页面置换算法实现**： - 实现四种页面置换算法：先进先出(FIFO)、最近最少使用(LRU)、最佳淘汰(Optimal)以及最少访问页面(LFU)算法。 - 计算并输出每种算法在不同内存容量下的命中率。命中率计算公式为：(1 + 缺页次数) / 页地址流长度，其中页地址流长度为320。 #### 二、实验原理 ##### 分页请求系统 - **请求分页的页表机制**：这是基于传统的分页页表机制扩展而成的，增加了几个新的字段，用于记录页面是否在内存中、修改位、访问位等信息。 - **缺页中断机构**：当试图访问的页面不在内存中时触发的中断机制，通知操作系统加载所需页面。 - **地址变换机构**：扩展了传统的地址变换机制，能够在缺页中断发生后正确地将虚拟地址映射到物理地址。 ##### 页面置换算法 1. **最佳置换算法(Optimal)**： - 理论上能够提供最低的缺页率，但实际应用中不可行，因为它需要预先知道未来哪些页面会被访问。 - 主要用于评估其他页面置换算法的性能。 2. **先进先出置换算法(FIFO)**： - 淘汰最早进入内存的页面。 - 实现简单，但可能会导致Belady异常，即随着内存容量的增加缺页率反而上升的现象。 3. **最近最少使用置换算法(LRU)**： - 基于页面最后一次被访问的时间来决定淘汰哪个页面。 - 需要记录每个页面的访问时间或使用访问位来实现。 4. **最少访问页面置换算法(LFU)**： - 淘汰被访问次数最少的页面。 - 需要额外的空间来记录每个页面的访问频率。 #### 三、实验方法与步骤 1. **准备阶段**： - 确定实验环境，安装必要的开发工具，如Visual C++。 - 设计实验方案，包括随机数生成算法、指令序列生成规则、页地址流转换方法等。 2. **编码实现**： - 使用C++编写程序，实现指令序列生成、页地址流转换以及各种页面置换算法。 - 应用C++标准库和类来简化编程过程。 3. **测试与调试**： - 对程序进行测试，确保各部分功能正确无误。 - 调试过程中注意记录出现的问题及其解决方法。 4. **结果分析**： - 计算并记录每种页面置换算法在不同内存容量下的命中率。 - 分析各种算法的性能差异，总结优点与不足之处。 5. **撰写实验报告**： - 按照规定的格式和内容要求撰写实验报告。 - 包括实验目的、原理、方法步骤、结果分析等内容。 - 附上实验输出的结果或数据作为参考。 通过以上实验流程，不仅可以加深对存储器管理和页面置换算法的理解，还能提高编程能力和问题解决能力。