1 操作系統實習報告內容(1) 基本信息：完成人姓名、學號、報告日期(2) 實習內容(3) 實習目的(4) 實習題目(5) 設計思路和流程圖(6) 主要數據結構及其説明(7) 源程序並附上註釋(8) 程序運行時的初值和運行結果(9) 實習體會：實習中遇到的問題及解決過程、實習中產生的錯誤及原因分析、實習的體會及收穫、對搞好今後實習提出建設性建議等。實習報告可以書面或電子文檔形式提交。2操作系統實習報告樣本樣本1一、實習內容模擬分頁式虛擬存儲管理中硬件的地址轉換和缺頁中斷，以及選擇頁面調度算法處理缺頁中斷。二、實習目的在計算機系統中，為了提高主存利用率，往往把輔助存儲器（如磁盤）作為主存儲器的擴充，使多道運行的作業的全部邏輯地址空間總和可以超出主存的絕對地址空間。用這種辦法擴充的主存儲器稱為虛擬存儲器。通過本實習理解在分頁式存儲管理中怎樣實現虛擬存儲器。三、實習題目本實習有三個小題。第一題：模擬分頁式存儲管理中硬件的地址轉換和產生缺頁中斷。[設計思路、數據結構、流程圖]：(1) 分頁式虛擬存儲系統是把作業信息的副本存放在磁盤上，當作業被選中時，可把作業的開始幾頁先裝入主存且啟動執行。為此，在為作業建立頁表時，應説明哪些頁已在主存，哪些頁尚未裝入主存，頁表的格式為：頁號標誌主存塊號在磁盤上的位置其中，標誌——用來表示對應頁是否已經裝入主存，標誌位=1，則表示該頁已經在主存，標誌位=0，則表示該頁尚未裝入主存。主存塊號——用來表示已經裝入主存的頁所佔的塊號。在磁盤上的位置——用來指出作業副本的每一頁被存放在磁盤上的位置。(2) 作業執行時，指令中的邏輯地址指出參加運算的操作數存放的地址，該地址被解釋為頁號和單元號，硬件的地址轉換機構按頁號查頁表，若該頁對應標誌為“1”，則表示該頁已在主存，這時根據關係式：絕對地址=塊號´塊長+單元號計算出欲訪問的主存單元地址。如果塊長為2的冪次，則可把塊號作為高地址部分，把單元號作為低地址部分，兩者拼接而成絕對地址。按計算出的絕對地址可以取到操作數，完成一條指令的執行。若訪問的頁對應標誌為“0”，則表示該頁不在主存，這時硬件發“缺頁中斷”信號，由操作系統按該頁在磁盤上的位置，把該頁信息從磁盤讀出裝入主存後再重新執行這條指令。(3) 設計一個“地址轉換”程序來模擬硬件的地址轉換工作。當訪問的頁在主存時，則形成絕對地址，但不去模擬指令的執行，而用輸出轉換後的地址來代替一條指令的執行。當訪問的頁不在主存時，則輸出“*該頁頁號”，表示產生了一次缺頁中斷。該模擬程序的算法如圖1。(4) 假定主存的每塊長度為128個字節；現有一個共七頁的作業，其中第0頁至第3頁已經裝入主存，其餘三頁尚未裝入主存；該作業的頁表為：頁號標誌主存塊號在磁盤上的位置015011118012219013311021400225002360121
圖1 地址轉換模擬算法如果作業依次執行的指令序列為：操作頁號單元號操作頁號單元號+0070移位4053+1050+5023´2015存1037存3021取2078取0056+4001-6040存6084運行設計的地址轉換程序，顯示或打印運行結果。因僅模擬地址轉換，並不模擬指令的執行，故可不考慮上述指令序列中的操作。第二題：用先進先出（FIFO）頁面調度算法處理缺頁中斷。[設計思路、數據結構、流程圖]：(1) 在分頁式虛擬存儲系統中，當硬件發出“缺頁中斷”後，引出操作系統來處理這個中斷事件。如果主存中已經沒有空閒塊，則可用FIFO頁面調度算法把該作業中最先進入主存的一頁調出，存放到磁盤上。然後再把當前要訪問的頁裝入該塊。調出和裝入後都要修改頁表中對應頁的標誌。(2) FIFO頁面調度算法總是淘汰該作業中最先進入主存的那一頁，因此可以用一個數組來表示該作業已在主存的頁面。假定作業被選中時，把開始的m個頁面裝入主存，則數組的元素可定為m個。例如：P[0]，P[1]…，P[m-1]其中每一個P[i] (I=0, 1, …, m-1) 表示一個在主存中的頁面號。它們的初值為：P[0]： =0, P[1]： =1, …, P[m-1]： =m-1用一指針K指示當要裝入新頁時，應淘汰的頁在數組中的位置，K的初值為“0”。當產生缺頁中斷後，操作系統選擇P[k]所指出的頁面調出，然後執行：P[k]： =要裝入頁的頁號k： = (k+1) mod m再由裝入程序把要訪問的一頁信息裝入到主存中。重新啟動剛才那條指令執行。(3) 編制一個FIFO頁面調度程序，為了提高系統效率，如果應淘汰的頁在執行中沒有修改過，則可不必把該頁調出（因在磁盤上已有副本）而直接裝入一個新頁將其覆蓋。因此在頁表中增加是否修改過的標誌，為“1”表示修改過，為“0”表示未修改過，格式為：頁號標誌主存塊號修改標誌在磁盤上的位置由於是模擬調度算法，所以，不實際地啟動調出一頁和裝入一頁的程序，而用輸出調出的頁號和裝入的頁號來代替一次調出和裝入的過程。
把第一題中程序稍作改動，與本題結合起來，FIFO頁面調度模擬算法如圖2。圖2 FIFO頁面調度模擬算法(4) 如果一個作業的副本已在磁盤上，在磁盤上的存放地址以及已裝入主存的頁和作業依次執行的指令序列都同第一題中（4）所示。於是增加了“修改標誌”後的初始頁表為：頁號標誌主存塊號修改標誌在磁盤上的位置0150011118001221900133110021400022500023600121按依次執行的指令序列，運行你所設計的程序，顯示或打印每次調出和裝入的頁號，以及執行了最後一條指令後的數組P的值。(5) 為了檢查程序的正確性，可再任意確定一組指令序列，運行設計的程序，核對執行的結果。第三題：用最近最少用（LRU）頁面調度算法處理缺頁中斷。[設計思路、數據結構、流程圖]：(1) 在分頁式虛擬存儲系統中，當硬件發出“缺頁中斷”後，引出操作系統來處理這個中斷事件。如果主存中已經沒有空閒塊，則可用LRU頁面調度算法把該作業中距現在最久沒有被訪問過的一頁調出，存放到磁盤上。然後再把當前要訪問的頁裝入該塊。調出和裝入後都要修改頁表中對應頁的標誌。(2) LRU頁面調度算法總是淘汰該作業中距現在最久沒被訪問過的那頁，因此可以用一個數組來表示該作業已在主存的頁面。數組中的第一個元素總是指出當前剛訪問的頁號，因此最久沒被訪問過的頁總是由最後一個元素指出。如果主存只有四塊空閒塊且執行第一題中提示（4）假設的指令序列，採用LRU頁面調度算法，那麼在主存中的頁面變化情況如下：306451246230645124123064512012306451當產生缺頁中斷後，操作系統總是淘汰由最後一個元素所指示的頁，再把要訪問的頁裝入淘汰頁所佔的主存塊中，頁號登記到數組的第一個元素中，重新啟動剛才那條指令執行。(3) 編制一個LRU頁面調度程序，為了提高系統效率，如果淘汰的頁在執行中沒有修改過，則可不必把該頁調出。參看第二題中提示（3）。模擬調度算法不實際地啟動調出一頁和裝入一頁的程序而用輸出調出的頁號和裝入的頁號來代替。把第一題中程序稍作改動，與本題結合起來，LRU頁面調度模擬算法如圖3。(4) 按第一題中提示（4）的要求，建立一張初始頁表，頁表中為每一頁增加“修改標誌”位（參考第二題中提示（4））。然後按依次執行的指令序列，運行設計的程序，顯示或打印每次調出和裝入的頁號，以及執行了最後一條指令後數組中的值。(5) 為了檢查程序的正確性，可再任意確定一組指令序列，運行設計的程序，核對執行的結果。
圖3 LRU頁面調度模擬算法四 打印的源程序及附上的註釋 略五 打印的程序運行時初值和運行結果 略樣本2一、實習內容模擬電梯調度算法，實現對磁盤的驅動調度。二、實習目的磁盤是一種高速、大容量、旋轉型、可直接存取的存儲設備。它作為計算機系統的輔助存儲器，擔負着繁重的輸入輸出任務，在多道程序設計系統中，往往同時會有若干個要求訪問磁盤的輸入輸出請求等待處理。系統可採用一種策略，儘可能按最佳次序執行要求訪問磁盤的諸輸入輸出請求，這就叫驅動調度，使用的算法稱驅動調度算法。驅動調度能降低為若干個輸入輸出請求服務所需的總時間，從而提高系統效率。本實習模擬設計一個驅動調度程序，觀察驅動調度程序的動態運行過程。三、實習題目模擬電梯調度算法，對磁盤進行移臂調度和旋轉調度。[設計思路、數據結構、流程圖]：(1) 磁盤是可供多個進程共享的存儲設備，但一個磁盤每個時刻只能為一個進程服務。當有進程在訪問某個磁盤時，其它想訪問該磁盤的進程必須等待，直到磁盤一次工作結束。當有多個進程提出輸入輸出請求而處於等待狀態時，可用電梯調度算法從若干個等待訪問者中選擇一個進程，讓它訪問磁盤。選擇訪問者的工作由“驅動調度”進程來完成。由於磁盤與處理器是可以並行工作的，所以當磁盤在為一個進程服務時，佔有處理器的另一進程可以提出使用磁盤的要求，也就是説，系統能動態地接收新的輸入輸出請求。為了模擬這種情況，在本實習中設置一個“接收請求”進程。“驅動調度”進程和“接收請求”進程能否佔有處理器運行，取決於磁盤的結束中斷信號和處理器調度策略。在實習中可用隨機數來模擬確定這兩個進程的運行順序，以代替中斷處理和處理器調度選擇進程的過程。因而，程序的結構可參考圖1。
圖1 程序結構(2) “接收請求”進程建立一張“請求I/O”表，指出等待訪問磁盤的進程要求訪問的物理地址，表的格式為：進程名柱面號磁道號物理記錄號MMMMMMMM假定某個磁盤組共有200個柱面，由外向裏順序編號（0-199），每個柱面上有20個磁道，編號為0-19，每個磁道分成8個物理記錄，編號0-7。進程訪問磁盤的物理地址可以用鍵盤輸入的方法模擬得到。圖2是“接收請求”進程的模擬算法。
圖2 “接收請求”模擬算法在實際的系統中必須把等待訪問磁盤的進程排入等待隊列，由於本實習模擬驅動調度，為簡單起見，在實習中可免去隊列管理部分，故設計程序時可不考慮“進程排入等待隊列”的工作。(3) “驅動調度”進程的功能是查“請求I/O”表，當有等待訪問磁盤的進程時，按電梯調度算法從中選擇一個等待訪問者，按該進程指定的磁盤物理地址啟動磁盤為其服務。對移動臂磁盤來説，驅動調度分移臂調度和旋轉調度。電梯調度算法的調度策略是與移動臂的移動方向和移動臂的當前位置有關的，所以每次啟動磁盤時都應登記移臂方向和當前位置。電梯調度算法是一種簡單而實際上用的驅動調度算法，這種調度策略總是優先選擇與當前柱面號相同的訪問請求，從這些請求中再選擇一個能使旋轉距離最短的等待訪問者。如果沒有與當前柱面號相同的訪問請求，則根據移臂方向來選擇，每次總是沿臂移動方向選擇一個與當前柱面號最近的訪問請求，若沿這個方向沒有訪問請求時，就改變臂的移動方向。這種調度策略能使移動臂的移動頻率極小化，從而提高系統效率。用電梯調度算法實現驅動調度的模擬算法如圖3。(4) 圖1中的初始化工作包括，初始化“請求I/O”表，置當前移臂方向為裏移；置當前位置為0號柱面，0號物理記錄。程序運行前可假定“請求I/O”表中已經有若干個進程等待訪問磁盤。
在模擬實習中，當選中一個進程可以訪問磁盤時，並不實際地啟動磁盤，而用顯示：“請求I/O”表；當前移臂方向；當前柱面號，物理記錄號來代替圖3中的“啟動磁盤”這項工作。圖3 電梯調度模擬算法(4) 打印驅動調度進程每次選擇訪問請求的“請求I/O”表以及每次選中的進程名、訪問的柱面號、物理記錄號和當前移臂方向（用up代表裏移，down代表外移）。打印格式為：“請求I/O”表進程名柱面號物理記錄號方向四 打印的源程序及附上的註釋 略五 打印的程序運行時初值和運行結果 略