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《操作系统》课程设计指导书第1页共29页《操作系统》课程设计指导书电子信息学院《操作系统》课程设计指导书第2页共29页课程设计任务（一、二）：使用简单轮转法实现操作系统的进程调度使用优先数法实现操作系统的进程调度一、目的与要求1、目的进程是操作系统最重要的概念之一，进程调度又是操作系统核心的主要内容。本实习要求学生独立地用高级语言编写和调试一个简单的进程调度程序。调度算法可任意选择或自行设计。任务一采用简单轮转法，任务二采用优先数法等。本课题可以加深对进程调度和各种调度算法的理解。2、要求（1）设计一个有n个进程并发的进程调度程序。每个进程由一个进程控制块（PCB）表示。进程控制块一般应该包含下述信息：进程名、进程优先数、进程需要运行的时间、占用CPU的时间以及进程的状态等，且可按调度算法的不同而增删。（2）调度程序应包含2～3种不同的调度算法，运行时可任意选一种，以利于各种算法的分析比较。（3）算法应能显示或打印各个进程的PID、状态（运行状态R、等待状态W等）和参数（已运行时间等）的变化情况，便于观察诸进程的调度过程二、示例1、题目本程序可选用优先数法或简单轮转法对五个进程进行调度。每个进程处于运行R(run)、就绪W(wait)和完成F(finish)三种状态之一，并假设起始状态都是就绪状态W。为了便于处理，程序进程的运行时间以时间片为单位计算。各进程的优先数或轮转时间片数、以及进程需要运行的时间片数，均由伪随机数发生器产生。进程控制块结构如下：PCB进程控制块链结构如下：进程ID链指针优先数/轮转时间片数占用CPU时间片数进程所需时间片数进程状态《操作系统》课程设计指导书第3页共29页其中：RUN—当前运行进程指针；HEAD—进程就绪链链首指针；TAID—进程就绪链链尾指针。2、算法与框图(1)优先数法。进程就绪链按优先数大小从高到低排列，链首进程首先投入运行。每过一个时间片，运行进程所需运行的时间片数减1，说明它已运行了一个时间片，优先数也减3，理由是该进程如果在一个时间片中完成不了，优先级应该降低一级。接着比较现行进程和就绪链链首进程的优先数，如果仍是现行进程高或者相同，就让现行进程继续进行，否则，调度就绪链链首进程投入运行。原运行进程再按其优先数大小插入就绪链，且改变它们对应的进程状态，直至所有进程都运行完各自的时间片数。(2)简单轮转法。进程就绪链按各进程进入的先后次序排列，进程每次占用处理机的轮转时间按其重要程度登入进程控制块中的轮转时间片数记录项（相当于优先数法的优先数记录项位置）。每过一个时间片，运行进程占用处理机的时间片数加1，然后比较占用处理机的时间片数是否与该进程的轮转时间片数相等，若相等说明已到达轮转时间，应将现运行进程排到就绪链末尾，调度链首进程占用处理机，且改变它们的进程状态，直至所有进程完成各自的时间片。(3)程序框图如下图1所示。TAILRUN1…RHEAD3…W5…W2…W《操作系统》课程设计指导书第4页共29页开开开开开开开开AlgoAlgo=priority/roundrobin?开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开1开开开开开3开开开开开开开0开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开1开开开CPU开开开1开开开开开开开0开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开priority开开开开开开roundrobin开开开开开图1进程调度框图3、程序运行结果格式（1）程序运行结果格式TYPETHEALGORITHM:PRIORITYOUTPUTOFPRIORITY==============================RUNNINGPROC.WAITINGQUEUE3415==============================ID12345PRIORITY93830290CPUTIME00000ALLTIME33634STATEWR==============================………………==============================SYSTEMFINISHED（2）说明：《操作系统》课程设计指导书第5页共29页程序启动后，屏幕上显示“TYPETHEALGORTITHM”，要求用户打入使用何种调度算法。本程序只编制了优先数法（“priority”）和简单轮转法（“RoundRobin”）两种。打入某一算法后，系统自动形成各进程控制块，实施该算法的进程调度算法，并打印各进程在调度过程中的状态和参数的变化。4、小结本实习简单地模拟了进程调度的二种方法，在进程运行时间和进程状态变化方面都做了简化，但已能反映进程调度的实质。通过实习能加深对进程调度的理解和熟悉它的实施方法。三、实习题（1）编制和调试示例给出的进程调度程序，并使其投入运行。（2）自行设计或改写一个进程调度程序，在相应机器上调试和运行该程序，其功能应该不亚于示例。提示：可编写一个反馈排队法（FB方法）的进程调度程序。该算法的基本思想是设置几个进程就绪队列，如队列1……队列i，同一队列中的进程优先级相同，可采用先进先出方法调度。各队列的进程，其优先级逐队降低。即队列1的进程优先数最高，队列i的最低。而时间片，即以此占用CPU的时间正好相反，队列1的最短，队列i则最长。调度方法是开始进入的进程都在队列1中参加调度，如果在一个时间片内该进程完不成，应排入队列2，即优先级要降低，但下一次运行的时间可加长（即时间片加长了）。以此类推，直至排到队列i。调度时现在队列1中找，待队列1中已无进程时，再调度队列2的进程，一旦队列1中有了进程，又应返回来调度队列1的进程。这种方法最好设计成运行过程中能创造一定数量的进程，而不是一开始就生成所有进程。提示：可综合各种算法的优先，考虑在各种不同情况下的实施方法，如上述FB算法。也可选用有关资料中报导的一些方法，加以分析、简化和实现。（3）直观地评测各种调度算法的性能。四、思考题（1）示例中的程序，没有使用指针型（pointer）数据结构，如何用指针型结构改写本实例，使更能体现C语言的特性。（2）如何在程序中真实地模拟进程运行的时间片？（3）如果增加进程的“等待”状态，即进程因请求输入输出等问题而挂起的状态，如何在程序中实现？《操作系统》课程设计指导书第6页共29页课程设计任务（三、四）：请求页式存储管理中最佳淘汰算法的实现请求页式存储管理中LRU算法的实现一、目的与要求1、目的近年来，由于大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）技术的发展，使存储器的容量不断扩大，价格大幅度下降。但从使用角度看，存储器的容量和成本总受到一定的限制。所以，提高存储器的效率始终是操作系统研究的重要课题之一。虚拟存储技术是用来扩大内存容量的一种重要方法。学生应独立地用高级语言编写几个常用的存储分配算法，并设计一个存储管理的模拟程序，对各种算法进行分析比较，评测其性能优劣，从而加深对这些算法的了解。任务三采用最佳淘汰算法(OPT)实现，任务四采用最近最少使用页淘汰算法(LRU)实现。2、要求为了比较真实地模拟存储管理，可预先生成一个大致符合实际情况的指令地址流。然后模拟这样一种指令序列的执行来计算和分析各种算法的访问命中率。二、示例1、题目本示例是采用页式分配存储管理方案，并通过分析计算不同页面淘汰算法情况下的访问命中率来比较各种算法的优劣。另外也考虑到改变页面大小和实际存储器容量对计算结果的影响，从而可为算则好的算法、合适的页面尺寸和实存容量提供依据。本程序是按下述原则生成指令序列的：（1）50%的指令是顺序执行的。（2）25%的指令均匀散布在前地址部分。（3）25%的指令均匀散布在后地址部分。示例中选用最佳淘汰算法（OPT）和最近最少使用页面淘汰算法（LRU）计算页面命中率。公式为页地址流长度页面失效次数命中率1假定虚存容量为32K，页面尺寸从1K至8K，实存容量从4页至32页。2、算法与框图（1）最佳淘汰算法(OPT)。这是一种理想的算法，可用来作为衡量其他算法优劣的依据，在实际系统中是难以实现的，因为它必须先知道指令的全部地址流。由于本示例中已预先生成了全部的指令地址流，故可计算出最佳命中率。该算法的准则是淘汰已满页表中不再访问或是最迟访问的的页。这就要求将页表中的页逐个与后继指令访问的所有页比较，如后继指令不在访问该页，则把此页淘汰，不然得找出后继指令中最迟访问的页面淘汰。可见最佳淘汰算法要花费较长的运算时间。（2）最近最少使用页淘汰算法(LRU)。《操作系统》课程设计指导书第7页共29页这是一种经常使用的方法，有各种不同的实施方案，这里采用的是不断调整页表链的方法，即总是淘汰页表链链首的页，而把新访问的页插入链尾。如果当前调用页已在页表内，则把它再次调整到链尾。这样就能保证最近使用的页，总是处于靠近链尾部分，而不常使用的页就移到链首，逐个被淘汰，在页表较大时，调整页表链的代价也是不小的。（3）程序框图如下图2所示。开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开size=1assigned=4开开开开开开AlgAlg=OPT/LRU开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开OPTLRU开开图2计算页面命中率框图3、程序运行结果格式(1)程序运行结果格式THEVIRTUALADDRESSSTREAMASFOLLOWS:a[0]=16895a[1]=16896a[2]=16897a[3]=16302a[4]=25403a[5]=13941a[6]=13942a[7]=8767………………A[252]=23583a[253]=20265a[254]=20266a[255]=20267==========================================Thealgorithmis:optPAGENUMBERWITHSIZE1kFOREACHADDRESSIS:pageno[0]=17pageno[1]=17pageno[2]=17pageno[3]=16pageno[4]=25pageno[5]=14pageno[6]=14pageno[7]=9………………pageno[252]=24pageno[253]=20pageno[254]=20pageno[255]=20vmsize=32kpagesize=1k《操作系统》课程设计指导书第8页共29页---------------------------pageassignedpages_in/totalreferences47.031250000000000E-167.578125000000000E-188.085937500000000E-1108.554687500000000E-1128.945312500000000E-1149.140625000000000E-1169.140625000000000E-1189.140625000000000E-1209.140625000000000E-1229.140625000000000E-1249.140625000000000E-1269.140625000000000E-1289.140625000000000E-1309.140625000000000E-1329.140625000000000E-1PAGENUMBERWITHSIZE2kEACHADDRESSIS:………………PAGENUMBERWITHSIZE4kEACHADDRESSIS:………………PAGENUMBERWITHSIZE8kEACHADDRESSIS:………………Endtheresultforopt*************************