操作系统原理实验1

操作系统实验说明

操作系统课程教学的主要目的，是学习计算机操作系统中资源管理的方法和技术，这些方法和技术，在以后的实际应用开发中加以借鉴，可以提高所开发的应用程序质量。为了加深对操作系统教材中所讲述的一些主要管理策略和算法的理解、掌握这些算法的思想、并能用已学习的程序设计语言实现之，根据教学大纲的要求，在进行操作系统课程教学过程中必须安排若干实验。要完成这些实验，需要学生具有一定的C语言或其他编程语言的编程能力。

根据我校学生的实际情况，也为了学生易于完成本课程的实验，我们在本实验指导中，对大多数实验给出了其C语言程序的实现框架，这些程序是可以直接运行的；并且，对于实验中的一些主要算法，我们也给出其相应的程序段（需要学生完善后才能运行的），其目的是对学生完成本讲义要求的实验提供帮助。很显然，要能较好的达到本课程实验之目的，不能完全依赖本指导，还需要学生的劳动和配合。

操作系统实验的要求： （1） 积极认真地做好实验前的准备，在每个实验前，必须写出需要上机调试的源程序，

并通过静态分析方法调试和修改，不能等到上机时再编写程序。尽管本指导给出了完整的示例，但要完成要求的实验，可能需要从数据结构定义开始。 （2） 上机时，要积极调试程序，只有通过调试和改错，才能积累经验、提高能力、正

确完成实验。 （3） 仔细观察程序运行情况，做好记录，作好分析。 （4） 按要求认真书写实验报告。（可打印） （5） 遵守机房实验用机规定和纪律，服从管理。

提醒：如果发现两人的实验报告内容是一模一样的，不管是否是自己做的，则两人成绩最多只记为60分，计入期末考试的平时成绩，态度第一，实验或程序正确与否是次要的，设计思路一定要写出来。

实验1模拟进程管理

一、 实验目的

1． 加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。 2． 深入了解系统如何组织进程、创建进程。 3． 进一步认识如何实现处理器调度。

二、 实验预备知识

1． 进程的概念。

2． 进程的组织方式。 3． 进程的创建。 4． 进程的调度。

三、 实验内容

编写程序完成单处理机系统中的进程调度，要求采用

请用最高响应

比调度算法。

实验具体包括：首先确定进程控制块的内容和进程控制块的组织方式；然后完成进程创建原语和进程调度原语；编写设计思路，最后编写主函数对所做工作进行测试。

四、提示与讲解

这个实验主要需要考虑三个问题：如何组织进程、如何创建进程和如何实现处理器调度。

考虑如何组织进程，首先就要设定进程控制块的内容。进程控制块PCB记录各个进程执行时的情况。不同的操作系统，进程控制块记录的信息内容不一样。操作系统功能越强，软件也越庞大，进程控制块记录的内容也就越多。这里的实验只是用了必不可少的信息。一般操作系统中，无论进程控制块中信息量多少，信息都可以大致分为以下四类：

（1） 标识信息

每个进程都要有一个唯一的标识符，用来标识进程的存在和区别于其他进程。这个标识符是必不可少的，可以用符号或编号实现，它必须是操作系统分配的。在后面给出的参考程序中，采用编号方式，也就是为每个进程依次分配一个不相同的正整数。

（2） 说明信息

用于记录进程的基本情况，例如进程的状态、等待原因、进程程序存放的位置、进程数据存放位置等等。实验中，因为进程没有数据和程序，仅使用进程控制块模拟进程，所以这部分内容仅包括进程状态。

（3） 现场信息

现场信息记录各个寄存器的内容。当进程由于某种原因让出处理器时，需要将现场信息记录在进程控制块中，当进行进程调度时，从选中进程的进程控制块中读取现场信息进行现场恢复。现场信息就是处理器的相关寄存器内容，包括通用寄存器、程序计数器和程序状态字等。在实验中，可选取几个寄存器作为代表。用大写的全局变量AX、BX、CX、DX模拟通用寄存器、大写的全局变量PC模拟程序计数器、大写的全局变量PSW模拟程序状态字。

（4） 管理信息

管理信息记录进程管理和调度的信息。例如进程优先数、进程队列指针等。实验中，仅包括队列指针。

因此，可将进程控制块结构定义如下： structpcb {

intname;//进程标识符 intstatus;//进程状态

intAX,BX,CX,DX;//进程现场信息，通用寄存器内容 intPC;//进程现场信息，程序计数器内容 intPSW;//进程现场信息，程序状态字内容 intnext;//下一个进程控制块的位置 }

确定进程控制块内容后，要考虑的就是如何将进程控制块组织在一起。多道程序设计系统中，往往同时创建多个进程。在单处理器的情况下，每次只能有一个进程处于运行态、其他的进程处于就绪状态或等待状态。为了便于管理，通常把处于相同状态的进程的进程控制块链接在一起。单处理器系统中，正在运行的进程只有一个。因此，单处理器系统中进程控制块分成一个正在运行进程的进程控制块、就绪进程的进程控制块组织成的就绪队列和等待进程的进程控制块组成的等待队列。由于实验模拟的是进程调度，没有对等待队列的操作，所以实验中只有一个指向正在运行进程的进程控制块指针和一个就绪进程的进程控制块队列指针。操作系统的实现中，系统往往在主存中划分出一个连续的专门区域存放系统的进程控制块，实验中应该用数组模拟这个专门的进程控制块区域，定义如下：

#definen10//假定系统允许进程个数为10

structpcbpcbarea[n];//模拟进程控制块区域的数组 这样，进程控制块的链表实际上是数据结构中使用的静态链表。进程控制块的链接方式可以采用单向和双向链表，实验中，进程控制块队列采用单向不循环静态链表。为了管理空闲进程控制块，还应该将空闲进程控制块链接成一个队列。

实验示例程序中采用时间片轮转调度算法，这种算法是将进程控制块按照进入就绪队列的先后次序排成队列。关于就绪队列的操作就是从队头摘下一个进程控制块和从队尾挂入一个进程控制块。因此为就绪队列定义两个指针，一个头指针，指向就绪队列的第一个进程控制块；一个尾指针，指向就绪队列的最后一个进程控制块。

实验中指向运行进程的进程控制块指针、就绪队列指针和空闲进程控制块队列指针定义如下：

intrun;//定义指向正在运行进程的进程控制块的指针 struct {

inthead; inttail；

}ready;//定义指向就绪队列的头指针head和尾指针tail intpfree;//定义指向空闲进程控制块队列的指针 以上是如何组织进程，下面考虑如何创建进程。

进程创建是一个原语，因此在实验中应该用一个函数实现，进程创建的过程应该包括： （1） 申请进程控制块：进程控制块的数量是有限的，如果没有空闲进程控制块，则进程不能创建，如果申请成功才可以执行第二步；

（2） 申请资源：除了进程控制块外，还需要有必要的资源才能创建进程，如果申请资源不成功，则不能创建进程，并且归还已申请的进程控制块；如果申请成功，则执行第三步，实验无法申请资源，所以模拟程序忽略了申请资源这一步；

（3） 填写进程控制块：将该进程信息写入进程控制块内，实验中只有进程标识符、进程状态可以填写（模拟进程创建时，需输入进程标识符，进程标识符本应系统建立，并且是唯一的，输入时注意不要冲突），刚创建的进程应该为就绪态，然后转去执行第四步；

（4） 挂入就绪队列：如果原来的就绪队列不为空，则将该进程控制块挂入就绪队列尾部，并修改就绪队列尾部指针；如果原来就绪队列为空，则将就绪队列的头指针、尾指针均指向该进程控制块，进程创建完成。

进程创建流程图如图1所示。

开始 Y 空闲进程控制 块队列为空？ N 取空闲进程控制块队列的第一个i=pfree 进程创建失败 pfree后移： pfree=pcbarea[pfree].next 填写该进程控制块的内容： pcbarea[i].name=name; pcbarea[i].status=aready; 初始化进程控制块内的现场信息； Y 就绪队列为空？ N 挂入就绪队列： pcbarea[ready.tail].next=i; ready.tail=i; pcbarea[ready.tail].next=-1; 挂入就绪队列： ready.head=i; ready.tail=i; pcbarea[ready.tail].next=-1; 结束 图1 进程创建流程图

多道程序设计的系统中，处于就绪状态的进程往往有多个，它们都要求占用处理器，可是单处理器系统的处理器只有一个，进程调度就是解决这个处理器竞争问题的。进程调度的任务就是按照某种算法从就绪进程队列中选择一个进程，让它占有处理器。因此，进程调度程序就应该包括两部分，一部分是在进程就绪队列中选择一个进程，并将其进程控制块从进程就绪队列中摘下来，另一部分工作就是分配处理器给选中的进程，也就是将指向正在运行进程的进程控制块指针指向该进程的进程控制块，并将该进程的进程控制块信息写入处理器的各个寄存器中。

实验参考程序中采用时间片轮转调度算法，这种算法让就绪进程按就绪的先后次序排成队列，每次总是选择就绪队列中的第一个进程占有处理器，但是规定只能使用一个“时间片”。

采用时间片轮转调度算法的进程调度流程图如图2所示。

开始 Y 就绪队列为空？ N 就绪队列头指针赋给i： i= ready.head 就绪队列头指针后移： ready.head =pcbarea[ready.head].next 无进程可以调度 就绪队列为空？ Y 就绪队列队尾指针置为空： ready.tail=-1 N 修改进程控制块状态： pcbarea[i].status=running 设置相对时钟寄存器： TIME=时间片 恢复该进程现场信息： AX=ax;BX=bx;CX=cx;DX=dx; PC=pc;PSW=psw; 修改指向运行进程的指针： run=i 图2 进程调度流程图

完成上述功能后，编写主函数进行测试：首先建立一个就绪队列，手工输入信息建立几个进程；然后进行进程调度；最后将指向正在运行进程的指针指向的进程控制块内容输出，察看结果。

四、 参考程序

#include“stdio.h”

#definerunning1//用running表示进程处于运行态 #defineaready2//用aready表示进程处于就绪态 #defineblocking3//用blocking表示进程处于阻塞态 #definesometime5//用sometime表示时间片大小

#definen10//假定系统允许进程个数为n struct {

intname;//进程标识符 intstatus;//进程状态

intax,bx,cx,dx;//进程现场信息，通用寄存器内容 intpc;//进程现场信息，程序计数器内容 intpsw;//进程现场信息，程序状态字内容 intnext;//下一个进程控制块的位置

}pcbarea[n];//模拟进程控制块区域的数组

intPSW,AX,BX,CX,DX,PC,TIME;//模拟寄存器

intrun;//定义指向正在运行进程的进程控制块的指针 struct {

inthead; inttail;

}ready;//定义就绪队列的头指针head和尾指针tail intpfree;//定义指向空闲进程控制块队列的指针 scheduling()//进程调度函数 { inti;

if(ready.head==-1)//空闲进程控制块队列为空，退出 {

printf(“无就绪进程\\n”); return; }

i=ready.head;//就绪队列头指针赋给i

ready.head=pcbarea[ready.head].next;//就绪队列头指针后移

if(ready.head==-1)ready.tail=-1;//就绪队列为空，修正尾指针ready.tail pcbarea[i].status=running;//修改进程控制块状态 TIME=sometime;//设置相对时钟寄存器 //恢复该进程现场信息 AX=pcbarea[run].ax; BX=pcbarea[run].bx; CX=pcbarea[run].cx; DX=pcbarea[run].dx; PC=pcbarea[run].pc; PSW=pcbarea[run].psw; run=i;

}//进程调度函数结束

create(intx)//进程创建函数 { inti;

if(pfree==-1)//空闲进程控制块队列为空

{

printf(“无空闲进程控制块，进程创建失败\\n”); return;

}

i=pfree;//取空闲进程控制块队列的第一个 pfree=pcbarea[pfree].next;//pfree后移 //填写该进程控制块的内容 pcbarea[i].name=x;

pcbarea[i].status=aready; pcbarea[i].ax=x; pcbarea[i].bx=x; pcbarea[i].cx=x; pcbarea[i].dx=x; pcbarea[i].pc=x; pcbarea[i].psw=x;

if(ready.head!=-1)//就绪队列不为空时，挂入就绪队列的方式 {

pcbarea[ready.tail].next=i; ready.tail=i;

pcbarea[ready.tail].next=-1; }

else//就绪队列为空时，挂入就绪队列的方式 {

ready.head=i; ready.tail=i;

pcbarea[ready.tail].next=-1; }

}//进程创建函数结束 main()

{//系统初始化 intnum,i,j;

run=ready.head=ready.tail=-1; pfree=0;

for(j=0;jpcbarea[j].next=j+1; pcbarea[n-1].next=-1;

printf(“输入进程编号（避免编号冲突，以负数输入结束，最多可以创建10个进程）：\\n”); scanf(“%d”,&num); while(num>=0) {

create(num);

scanf(“%d”,&num); }

scheduling();//进程调度

if(run!=-1) {

printf(“进程标识符进程状态寄存器内容：axbxcxdxpcpsw:\\n”);

printf(“%8d%10d%3d%3d%3d%3d%3d%3d\\n”,pcbarea[run].name,pcbarea[run].status,pcbarea[run].ax,pcbarea[run].bx,pcbarea[run].cx,pcbarea[run].dx,pcbarea[run].pc,pcbarea[run].psw); }

}//main()结束

实验内容：请用最高响应比调度算法模拟进程的调度执行过程，要求PCB记录每个进程的执行时间和到达时间，然后输出调度执行的过程 实验报告内容： （1） 实验目的

（2） 实验内容：包括流程图、PCB

数据结构等、设计思路。 （3） 程序

（4） 把程序运行的结果抓图 交打印稿，实验时间为2次实验课，实验报告提交时间：第3次上实验

课的时候提交。