操作系统课程设计-页面置换算法程序设计.doc

操作系统课程设计说明书 题目: 页面置换算法程序设计 院 系： 计算机科学与工程 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2014年 11月 21 日 计算机 院系 计算机 教研室学 号学生姓名专业（班级）设计题目页面置换算法程序设计设计技术参数系统平台：Windows 7/Windows XP开发工具：VC+6.0设计要求编写程序实现：（1）先进先出页面置换算法（FIFO）（2）最近最久未使用页面置换算法（LRU）（3）最佳置换页面置换算法（OPT）设计一个虚拟存储区和内存工作区，编程序演示以上三种算法的具体实现过程，并计算访问命中率。演示页面置换的三种算法。通过随机数产生一个指令序列，将指令序列转换成为页地址流。计算并输出各种算法在不同内存容量下的命中率。工作量 要求设计说明书的字数在3000字以上。工作计划2014.12.01-12.02 根据课程设计的要求，查找相关资料，完成需求分析；2014.12.03-12.05 进行系统的概要设计；2014.12.06-12.11 进行系统的详细设计和源代码的书写；2014.12.12-12.14 对系统进行调试分析，写出课程设计报告。参考资料1 龚沛曾等编.C/C+程序设计教程.北京：高等教育出版社,2004.2 谭浩强编著.C程序设计（第二版）.北京：清华大学出版社,1999.3 张尧学等编著.计算机操作系统教程.北京：清华大学出版社，2011.4 孟庆昌等编. 操作系统. 北京：电子工业出版社，2009.5 刘腾红等编著. 操作系统. 北京：中国铁道出版社,2008.6 汤子瀛等编著. 计算机操作系统.西安：西安电子科技大学出版社,2011指导教师签字教研室主任签字2014年11月21日指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表目 录1 问题描述12 需求分析13 概要设计13.1 设计思路13.2 功能模块设计23.3 算法流程图24 详细设计44.1 相关知识44.2 置换算法函数代码设计44.3 辅助函数代码设计105 调试分析126 测试结果137 设计体会15参考文献15II1 问题描述编写程序实现：（1）先进先出页面置换算法（FIFO）（2）最近最久未使用页面置换算法（LRU）（3）最佳置换页面置换算法（OPT）设计一个虚拟存储区和内存工作区，编程序演示以上三种算法的具体实现过程，并计算访问命中率。演示页面置换的三种算法。通过随机数产生一个指令序列，将指令序列转换成为页地址流。计算并输出各种算法在不同内存容量下的命中率。2 需求分析在地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不再内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。在进程运行过程中，若其所要访问的页面不在内存需把它们调入内存，但内存已无空闲空间时，为了保证该进程能正常运行，系统必须从内存中调出一页程序或数据，送磁盘的对换区中。但应将哪个页面调出，所以需要根据一定的算法来确定。常用的算法有先进先出置换算法（FIFO）、最近最久未使用置换算法（LRU）和最佳置换算法（OPT），该设计是在VC+6.0环境下用上述三种算法来实现页面置换算法的模拟程序，然后计算访问命中率，并测试结果。3 概要设计3.1 设计思路选择置换算法，先输入所有页面号，为系统分配物理块，依次进行置换：FIFO基本思想：是用队列存储内存中的页面，队列的特点是先进先出，与该算法是一致的，所以每当发生缺页时，就从队头删除一页，而从队尾加入缺页。或者借助辅助数组timemSIZE记录物理块中对应页面的进入时间，每次需要置换时换出进入时间最小的页面。LRU基本思想：是用一维数组pagepSIZE存储页面号序列，memerymSIZE是存储装入物理块中的页面。数组flag10标记页面的访问时间。每当使用页面时，刷新访问时间。发生缺页时，就从物理块中页面标记最小的一页，调出该页，换入所缺的页面。OPT基本思想：是用一维数组pagepSIZE存储页面号序列，memerymSIZE是存储装入物理块中的页面。数组nextmSIZE记录物理块中对应页面的最后访问时间。每当发生缺页时，就从物理块中找出最后访问时间最大的页面，调出该页，换入所缺的页面。3.2 功能模块设计（1）置换算法函数：void FIFO( )：先进先出页面置换算法void LRU( )：最近最久未使用置换算法void OPT( )：最佳置换算法（2）辅助函数：void output(int t)：计算输出void showInfo( )：显示信息voiddownload( )：载入数据voidmDelay(int Delay)：设置延迟void compute( )：计算过程延迟3.3 算法流程图算法流程图如图1所示。图1 算法流程图4 详细设计4.1 相关知识（1）虚拟存储器的引入：局部性原理：程序在执行时在一较短时间内仅限于某个部分；相应的，它所访问的存储空间也局限于某个区域，它主要表现在以下两个方面：时间局限性和空间局限性。（2）虚拟存储器的定义：虚拟存储器是只具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。（3）虚拟存储器的实现方式：分页请求系统，它是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能所形成的页面形式虚拟存储系统。请求分段系统，它是在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后，所形成的段式虚拟存储系统。（4）页面分配：平均分配算法，是将系统中所有可供分配的物理块，平均分配给各个进程。按比例分配算法，根据进程的大小按比例分配物理块。考虑优先的分配算法，把内存中可供分配的所有物理块分成两部分：一部分按比例地分配给各进程；另一部分则根据个进程的优先权，适当的增加其相应份额后，分配给各进程。（5）页面置换算法：常用的页面置换算法有FIFO、LRU、OPT等。4.2 置换算法函数代码设计（1）先进先出页面置换算法设计算法思想：借助辅助数组timemSIZE记录物理块中对应页面的进入时间，每次需要置换时换出进入时间最小的页面。其功能实现代码如下：void FIFO( )int memery10=0;int time10=0;/*记录进入物理块的时间*/int i,j,k,m;int max=0;/*记录换出页*/int count=0;/*记录置换次数*/ /*前mSIZE个数直接放入*/for(i=0;imSIZE;i+)memeryi=pagei;timei=i;for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj;for(i=mSIZE;ipSIZE;i+)/*判断新页面号是否在物理块中*/for(j=0,k=0;jmSIZE;j+)if(memeryj!=pagei)k+;if(k=mSIZE)/*如果不在物理块中*/count+;/*计算换出页*/max=time0time1?0:1;for(m=2;mmSIZE;m+)if(timemtimemax)max=m;memerymax=pagei;timemax=i;/*记录该页进入物理块的时间*/for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj;elsefor(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj;compute();output(count);（2）最近最久未使用置换算法设计算法思想：用一维数组pagepSIZE存储页面号序列，memerymSIZE是存储装入物理块中的页面。数组flag10标记页面的访问时间。每当使用页面时，刷新访问时间。发生缺页时，就从物理块中页面标记最小的一页，调出该页，换入所缺的页面。其功能实现代码如下：void LRU( )int memery10=0;int flag10=0;/*记录页面的访问时间*/int i,j,k,m;int max=0;/*记录换出页*/int count=0;/*记录置换次数*/*前mSIZE个数直接放入*/for(i=0;imSIZE;i+)memeryi=pagei;flagi=i;for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj;for(i=mSIZE;ipSIZE;i+)/*判断新页面号是否在物理块中*/for(j=0,k=0;jmSIZE;j+)if(memeryj!=pagei)k+;elseflagj=i;/*刷新该页的访问时间*/if(k=mSIZE)/*如果不在物理块中*/count+;/*计算换出页*/max=flag0flag1?0:1;for(m=2;mmSIZE;m+)if(flagmflagmax)max=m;memerymax=pagei;flagmax=i;/*记录该页的访问时间*/for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj;elsefor(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj;compute();output(count);（3）最佳置换算法设计算法思想：用一维数组pagepSIZE存储页面号序列，memerymSIZE是存储装入物理块中的页面。数组nextmSIZE记录物理块中对应页面的最后访问时间。每当发生缺页时，就从物理块中找出最后访问时间最大的页面，调出该页，换入所缺的页面。其功能实现代码如下：void OPT( )int memery10=0;int next10=0;/*记录下一次访问时间*/ int i,j,k,l,m; int max;/*记录换出页*/ int count=0;/*记录置换次数*/*前mSIZE个数直接放入*/for(i=0;imSIZE;i+)memeryi=pagei;for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj;for(i=mSIZE;ipSIZE;i+)/*判断新页面号是否在物理块中*/for(j=0,k=0;jmSIZE;j+)if(memeryj!=pagei)k+;if(k=mSIZE)/*如果不在物理块中*/count+;/*得到物理快中各页下一次访问时间*/for(m=0;mmSIZE;m+)for(l=i+1;l=next1?0:1;for(m=2;mnextmax)max=m;/*下一次访问时间都为pSIZE,则置换物理块中第一个*/memerymax=pagei;for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj;elsefor(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj;compute();output(count);4.3 辅助函数代码设计（1）计算输出void output(int t)函数设计其功能实现代码如下：void output(int t)int i,j,k,l;int flag;for(k=0;k=(pSIZE-1)/20;k+)/*每行显示20个*/for(i=20*k;(ipSIZE)&(i20*(k+1);i+)if(i+1)%20=0)|(i+1)%20)&(i=pSIZE-1)printf( %dn,pagei);elseprintf( %d ,pagei);for(j=0;jmSIZE;j+)for(i=20*k;(imSIZE+20*k)&(i=j)printf(|%d|,tempij);elseprintf(| |);for(i=mSIZE+20*k;(ipSIZE)&(i20*(k+1);i+)for(flag=0,l=0;lmSIZE;l+)if(tempil=tempi-1l)flag+;if(flag=mSIZE)/*页面在物理块中*/printf( );elseprintf(|%d|,tempij);if(i%100=0)continue;printf(n);printf(-n);printf(缺页次数：%dtt,t+mSIZE);printf(缺页率：%d/%dn,t+mSIZE,pSIZE);printf(置换次数：%dtt,t);printf(访问命中率：%d%n,(pSIZE-(t+mSIZE)*100/pSIZE);printf(-n);（2）计算过程延迟void compute( )函数设计其功能实现代码如下：void compute()int i;printf(正在进行相关计算，请稍候);for(i=1;i20;i+)mDelay(15);if(i%4=0)printf(bbbbbb bbbbbb);else printf();for(i=0;i+30;printf(b);for(i=0;i+30;printf( );for(i=0;i+30;printf(b);5 调试分析（1）系统主界面如图2所示。图2 系统主界面（2）初始化数据如图3所示。图3 初始化数据（3）选择界面如图4所示。图4 选择界面6 测试结果（1） 测试先进先出（FIFO），结果正确，如图5所示。图5 先进先出（FIFO）测试（2）测试最近最久未使用（LRU），结果正确，如图6所示。图6 最近最久未使用（LRU）测试（3）测试最佳（OPT），结果正确，如图7所示。图7 最佳（OPT）测试7 设计体会通过两周时间的课程设计，我对计算机操作系统主存管理以及C语言的使用都有了更深的了解。当然也遇到不少问题，也正是国为这些问题引发的思考给我带来了收获。从当初不喜欢上机写程序到现在能主动写程序，从当初拿着程序不知从何下手到现在知道如何分析问题，如何用专业知识解决实际问题的转变。我发现无论是专业知识还是动手能力，自己都有很大程度的提高。在实际上机操作过程中，不仅是让我了解三种页面置换算法