操作系统作业 18-22章

第十八章

1.根据题中所给参数计算线性页表大小和不同情况下的变化

        paging-linear-translate.py -P 1k -a 1m -p 512m -v -n 0

        paging-linear-translate.py -P 1k -a 2m -p 512m -v -n 0

        paging-linear-translate.py -P 1k -a 4m -p 512m -v -n 0

        页大小为1kb，地址空间大小分别为1mb，2mb，4mb，物理地址空间大小为512mb，页表项应分别有1mb/1kb=1024，1mb/1kb=2048，1mb/1kb=4096。假设每个页表项需要4字节的空间，页表的大小分别为4kb，8kb，16kb。在页大小相同的情况下，地址空间增长，页表项随之增长，页表增大。

        paging-linear-translate.py -P 1k -a 1m -p 512m -v -n 0

        paging-linear-translate.py -P 2k -a 1m -p 512m -v -n 0

        paging-linear-translate.py -P 4k -a 1m -p 512m -v -n 0

        页大小分别为1kb，2kb，4kb，地址空间大小为1mb，物理地址空间大小为512mb，页表项分别有1mb/1kb=1024，1mb/2kb=512，1mb/4kb=256。假设每个页表项需要4字节的空间，页表的大小分别为4kb，2kb，1kb。在地址空间大小相同的情况下，页的大小增大，页表项减少，页表减小。

        使用很大的页会导致页内部的空间可能存在大量浪费和内部碎片，因此不使用很大的页。

2.   使用题中标志paging-linear-translate.py -P 1k -a 16k -p 32k -v模拟，页的大小为1kb，地址空间16k，共16页，用4位表示虚拟页号，10位表示偏移量，并使用-u更改分配给地址空间的页数。

        分配页数为0：

       VA 0：invalid address

       VA 1：invalid address

       VA 2：invalid address

       VA 3：invalid address

       VA 4：invalid address

      分配给地址空间的页数为0，因此没有有效的地址。

      分配页数为25：

       VA 1（11100110000110）：VPN=14，invalid address

       VA 2（10101111000110）：VPN=10，PFN=19，OFFSET=966，PA=20422

      VA 3（01111000110111）：VPN=7，invalid address

       VA 4（00011001110001）：VPN=1，invalid address

       VA 5（01101111001001）：VPN=6，invalid address

       分配页数为50：

       VA 1（11001110000101）：VPN=12，PFN=15，OFFSET=901，PA=16261

       VA 2（10001100011101）：VPN=8，invalid address

       VA 3（00000011100110）：VPN=0，PFN=24，OFFSET=230，PA=24806

       VA 4（10111000001111）：VPN=11，invalid address

       VA 5（01100110000110）：VPN=6，PFN=29，OFFSET=390，PA=30086

       分配页数为75：

       VA 1（10111000001111）：VPN=11，PFN=19，OFFSET=527，PA=19983

       VA 2（01100110000110）：VPN=6，PFN=31，OFFSET=390，PA=32134

       VA 3（11010011001010）：VPN=13，PFN=27，OFFSET=202，PA=27850

       VA 4（10101011000011）：VPN=10，PFN=3，OFFSET=707，PA=3779

       VA 5（00000000010010）：VPN=0，PFN=24，OFFSET=18，PA=24594

       分配页数为100：

      与分配页数为75结果相同。

      增加每个地址空间中的页的百分比，有效地址将更多。

3.按照题中所给参数运行

      paging-linear-translate.py -P 8 -a 32 -p 1024 -v -s 1，页的大小为8，地址空间32，物理地址空间大小为1024，页数为4，2位表示页号，3位表示偏移量：

        VA 1（01110）：VPN=1，PFN=97，OFFSET=6，PA=782

        VA 2（10100）：VPN=2，invalid address

        VA 3（11001）：VPN=3，invalid address

        VA 4（00011）：VPN=0，invalid address

        VA 5（00000）：VPN=0，invalid address

        这样的组合不合理，地址空间很小，一个地址空间只能存放4页。

        paging-linear-translate.py -P 8k -a 32k -p 1m -v -s 2，页大小为8kb，地址空间大小为32kb，物理地址空间为1mb，页数为4，2位表示页号，13位表示偏移量：

        VA 1（101010110111001）：VPN=2，invalid address

        VA 2（010011101110001）：VPN=1，invalid address

        VA 3（100110110001111）：VPN=2，invalid address

        VA 4（100110110101011）：VPN=2，invalid address

        VA 5（100101001100100）：VPN=2，invalid address

        该组合同样不合理，地址空间小。

        paging-linear-translate.py -P 1m -a 256m -p 512m -v -s 3，页大小为1mb，地址空间大小为256mb，物理地址空间为512mb，页数为256，8位表示页号，20位表示偏移量：

        VA 1（0011000010001011001001001101）：

        VPN=48，PTE=0x800001f6，PFN=502，OFFSET=569933，PA=526955085

        VA 2（0100001000110101000111100110）：

        VPN=66，PTE= 0x00000000，invalid address

        VA 3（0010111111101011011001111011）：

        VPN=47，PTE= 0x800000a9，PFN=169，OFFSET=964219，PA=178173563

        VA 4（1011010001101001011101111101）：

        VPN=180，PTE= 0x00000000，invalid address

        VA 5（1101101111001100111010110100）：

        VPN=219，PTE=0x800001f2，PFN=498，OFFSET=839348，PA=523030196

        组合不合理，页和地址空间都很大，物理地址空间只能满足两个地址空间的大小。

第二十章

1.

      对于二级页表，只需要一个寄存器找到页目录的位置，从页目录中找到存放页表的位置，从页表中就可以找到页表项。三级页表同样只需要一个寄存器找到页目录的位置，接下来就可以通过一级页目录找到二级页目录的位置，通过二级页目录找到页表的位置，最后找到页表项。

2.

      首先查看文档中给出的条件，该模拟程序中，页的大小为32字节，地址空间中共有1024页（共32kb），物理地址空间共128页。128页需要7位表示页号，1位表示是否有效，因此一个页表项占用1个字节的空间，所有页表项占用1024字节的空间。将页表项放入32字节大小的页中，需要使用32页，使用5位在页目录中进行索引，5位在页表中索引，5位表示页内偏移，虚拟地址共15位，由页目录索引+页表索引+页内偏移构成。

      种子0：

        VA 0：

        611C    110000100011100，页目录索引：11000（24），页表索引：01000（8），页内偏移：11100（28），页目录基址：108。

        首先找到页目录项，在108页的25字节，为0xa1（10100001），最高位表明有效，后七位为页表所在的页：33。

        页表索引为8，即33页的9字节，为0xb5（10110101），最高位表明有效，后七位为物理页帧0x35（53），则物理地址为PA=53*32+28=1724（0x6bc），找到35页的第29个字节即为最终找到的值：0x08。

        其他地址的转换方式相同，具体情况如下表：

        种子1：

        计算方法相同，结果如下：

        种子2：

        结果如下：

3.

        当初次访问内存中的某个位置时，会产生不命中，系统将访问页表，找到虚拟页所对应的物理页，并将这个映射保存到缓存中。利用时间局部性与空间局部性，接下来的访问很有可能导致大量的缓存命中，从而导致快速访问。在一些特定的情况下，程序短时间访问的页数大于缓存中的页数，也可能会产生大量的缓存不命中。

第二十二章

1.

        使用题中所给参数-s 0 -n 10生成随机地址：

      缓存大小为3页，采用不同策略，情况如下：

     

                 

            FIFO，命中率为10%                                LRU，命中率为20%

                  OPT，命中率为40%

        使用参数-s 1 -n 10生成随机地址：

        采用不同策略，情况如下：

                 

FIFO，命中率20%                                          LRU，命中率20%

        OPT，命中率30%

        使用参数-s 2 -n 10生成随机地址：

        采用不同策略的情况如下：

                     

      FIFO，命中率40%                                          LRU，命中率40%

      OPT，命中率40%

2.

      不同策略下的最差情况的地址引用序列

      FIFO：1,2,3,4,5,6

      LRU：1,2,3,4,5,6

      MRU：1,2,3,4,5,6,5,6,5,6…

      对于LRU和FIFO，只要缓存大小与序列大小相同就可以提高命中率，且除了冷启动不命中外均命中。对于MRU，如果缓存容量刚好已满，而有两页交替进行访问，只要缓存增大1就可以提高命中率，大幅提高性能。

3.

      编写python程序，随机生成一个序列，进行100次地址访问，地址介于0-9之间。程序如下：

        在这种情况下没有局部性，随机进行访问，预计除OPT外的策略效果基本相近。

        使用paging-policy.py程序对产生的序列进行模拟，缓存大小为3，命中率如下：

        FIFO：31%

        LRU：28%

        CLOCK：27%

        RAND：29%

        OPT：50%

        结果符合预期。

4.

      编写python程序，生成具有局部性的序列。访问地址仍为0-9，随机选择两页，在80%的时间访问这两页，20%的时间访问其他页。

        使用paging-policy.py程序对产生的序列进行模拟，缓存大小为3，命中率如下：

        FIFO：61%

        LRU：70%

        CLOCK：66%

        RAND：61%

        OPT：76%

        LRU策略在几种策略中效果最好，RAND策略比LRU效果要差一些，CLOCK策略比RAND和FIFO策略较好，比LRU差。对于CLOCK策略，改变时钟位，结果如下

        Clockbits 2：66%

        Clockbits 1：61%

        Clockbits 3：71%

        Clockbits 4：71%

        Clockbits 5：72%

        Clockbits 7：73%

        Clockbits 7：74%

        Clockbits 8：74%

        Clockbits 9：74%

        Clockbits 10：73%

        可以观察到，在一定的范围内，随着时钟位的增加，CLOCK策略的效果逐步提升，命中率超过了LRU策略，甚至已经接近了OPT。