1.实践基础要求

以计算机操作系统原理为指导，利用面向对象程序设计技术仿真 OS 内核的作业管理、连续内存管理、页式虚存管理、进程同步与互斥、Spooling 系统的 API 功能，可视化显示操作系统的工作过程。

1.1 裸机硬件仿真设计的基础要求

（1）基础硬件部件

CPU、内存、时钟中断、输入输出设备中断、地址变换机构（MMU）、外存缓冲区；

◆ 扩展硬件部件：缺页中断；

（2） CPU 与寄存器的仿真设计

◆ CPU 可抽象为一个类，名称：CPU2023。

◆ 关键寄存器可抽象为类的属性，至少包括：程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、状态寄存器（PSW）等，寄存器内容的表示方式自行设计，需要在实践报告中说明。

需要实现 CPU 现场保护、现场恢复操作，封装为 CPU 类的方法，供进程切换、CPU 模式切换方法调用。

方法函数的名称须统一，入口出口参数自行定义：

◆ CPU-PRO（）：CPU 现场保护函数；

◆ CPU-REC（）：CPU 现场恢复函数；

（3）系统时钟中断仿真

计算机系统使用统一时钟计时；

◆ 设计一个时钟线程类，名称：Clock_thread

◆ 该类中设计一个共享属性变量，名称：COUNTTIME，整型，单位：秒（s）每 1 秒激活该线程计时，COUNTTIME+1 操作。

（4）作业请求的中断仿真

假设计算机每 10 秒(s)查询一次外部是否有新作业的执行请求，在“并发作业请求文件” 中判读是否有新进程请求运行。

◆ 设计一个作业请求查询线程类，名称：JobIn_thread；

◆ 作业请求判读函数，名称：CheckJob（）：

功能：每 10 秒激活该线程，利用 COUNTTIME 变量判断“并发作业请求文件”是否有新进程请求；如果有，进入后备队列；如果没有，空操作；

（5）进程调度的中断仿真

假设计算机 CPU 在 1 秒(s)发生一次时钟硬件中断；可以执行 1 条指令。

假设进程调度的基础算法均为时间轮转法，在此基础上可以叠加静态或者动态特点，或者叠加静态或者动态优先权法；或者叠加多级反馈调度算法；

◆ 初始静态时间片大小：Times=3 秒

◆ 设计一个进程调度算法线程类，名称：ProcessScheduling_thread

线程激活时长：1 秒，也就是 1 秒发生一次调度中断信号，每次 Times-1；

◆ 调度时间函数，名称：CheckSchedulingTime（）：

功能：以初始静态时间片大小为基础单元，根据选题设计具体对时间片大小 Times

重新赋值，当 Times=0 时发生进程调度；

◆ 进程调度函数，名称：ProcessScheduling（）：功能:根据所选题目的调度算法实现调度；

（6）输入/输出中断事件仿真

仿真 I/O 中断。分别设计两个线程

◆ InputBlock_thread 类：阻塞队列的唤醒线程。外设输入变量造成进程进入阻塞态，如键盘给变量赋值；

◆ OutputBlock_thread 类：阻塞队列的唤醒线程。外设输出变量造成进程进入阻塞态，如显示器显示；

（7）缺页中断事件仿真

设计一个线程发出缺页中断，并实现页淘汰算法，页装入操作，完成以后唤醒缺页阻塞队列中的进程重新进入就绪队列；

◆ 线程类名：PageInterruption-thread 类，一直处于侦听状态，收到缺页请求时被激活；

◆ 页装入操作函数，名称：PageIn（）

◆ 页淘汰函数，名称:PageOut( )

（8）用户区内存

假设不考虑 OS 内核所占内存空间

◆ 用户区共 16KB，每个物理块大小 1024B，共 16 个物理块；

◆ 采用页式存储管理。将每个物理块假设为 1 页帧，共 16 页

◆ 逻辑地址（物理地址）共 14 位二进制表示，其中 4 位表示页号，10 位表示页内地址；

◆ 测试数据用十进制表示逻辑地址；

◆ 采用固定分配与局部替换策略，每个用户进程分配内存大小为 4 页（块）；用户进程最高并发度为 4；

◆ 地址变换过程（MMU）需要在界面上显示并详细记录过程保存到 ProcessResults-？？？

-算法名称代号.txt 文件中。？？？表示数字，为每次运行完成所有进程的总分钟数。例如：测试输入数据是 input1 中的数据文件，用 LZ（时间片轮转）算法完成机器调度所有作业，总运行分钟数是 166 秒，保存进程运行输入输出以及调度过程中状态变化、统计数据等所有信息，保存到 ProcessResults-166-LZ.txt 文件，保存到 output1 子文件夹。

（9）内存缓冲区

◆ 内存缓冲区共 4KB，单缓冲，每个物理块大小 1024B，共 4 个物理块；

◆ 所有进程共享，进程通信过程中可能会出现死锁；

（10）硬盘交换区仿真

◆ 选题 1 使用，选题 2 不使用；

◆ 磁盘交换区共 16KB，每个物理块大小 1024B，共 16 个物理块；

◆ 磁盘交换区，每个进程的交换区用文件夹仿真，用“DiskExchangeArea_进程 ID”命

名；

◆ 每个用户进程创建以后分配 4 页（块）磁盘交换区，保存该进程运行时临时变量或函

数返回值的数据；

◆ 每个物理块对应一个文件，物理地址为文件名称；

◆ 每个文件是文本文件，保存物理块内容；

1.2 并发作业请求文件（jobs-input.txt）的设计

◆ 每个作业相当于用户提交给操作系统运行的可执行程序。本实验考虑作业调度、内存分配回收，进程管理等功能；

◆ 创建 input 子文件夹，保存 jobs-input.txt 以及用户程序指令文件。本次实验有两组测试输入数据，分别放在 input1、input2 子文件中。

input1 子文件：选题 1 的同学使用；

◆ jobs-input.txt 文件格式固定，统一提供，初始 5 个作业。一行代表一个作业请求，学生测试程序时可以增加新作业条目；

◆ jobs-input.txt 文件内容：作业序号（JobsID）

作业优先级（Priority）作业请求时间（InTimes）

作业包含的程序指令数目（InstrucNum）

◆ 仿真程序开始运行时，开始按秒计时（不要用系统时间，用自己的计时器计时）。将jobs-input.txt 文件一次性读入一个临时数组。JobInput_thread 类每 10 秒(s)查询临时数组，根据当前计时器时间，通过判断与作业请求时间（InTimes）（单位为秒）中请求时间的匹配程度，判断该时刻是否有作业请求。如果有，加入作业后备队列，并根据作业编号找到该作业程序指令文件（与 jobs-input.txt 文件在同一目录），并将其内容保存到相应数据结构中。

◆ 在界面上需要设计一个作业实时请求接收按钮，随时接收该时刻产生的新作业并加入到作业后备队列；

◆ jobs-input.txt 文件举例：

1.3 用户程序指令文件的设计

◆ 用户程序指令文件是每个作业要执行的被编译以后的程序指令集合。每个作业的指令类型由本文档给出。

（1）作业程序的结构

作业程序包括 6 类，有语句和函数类型，统一保存在 input1 和 input2 子文件夹中。每个用户程序指令文件名用“作业序号（JobsID）”来命名。具体包括：

指令段编号（Instruc_ID）

用户程序指令的类型（Instruc_State）

用户程序指令访问的逻辑地址（L_Address）

（2）用户程序指令的类型（Instruc_State）

★本试验假设 CPU 执行用户态每段指令，在执行一段机器指令时不可以中断。

★指令段编号（Instruc_ID）：作业创建进程以后，进程所执行用户程序段指令序号，从 1 开始计数。

★根据 Instruc_State 类型，每条指令运行或者唤醒时间（InRunTimes）有确定值，不需要输入；

★用户程序指令的类型（Instruc_State）包括：

0 表示用户态计算操作语句。执行该指令需要运行时间 InRunTimes=1s。

1 表示用户态计算操作函数。执行该指令进程转向执行函数指令，需要 InRunTimes=2s。

2 表示键盘输入变量语句。发生系统调用，CPU 进行模式切换，运行进程进入阻塞态；值守的键盘操作输入模块接收到输入变量或输出变量内容，InRunTimes=2s 后完成输入，产生硬件终端信息号，阻塞队列 1 的队头节点出队，进入就绪队列；InputBlock_thread 类在 2s 以后自动唤醒该进程；

3 屏幕输出显示语句。发生系统调用，CPU 进行模式切换，运行进程进入阻塞态；值守的屏幕显示模块输出变量内容，InRunTimes=2s 后完成显示，产生硬件终端信息号，阻塞队列 2 的队头节点出队，进入就绪队列；OutputBlock_thread 类在 2s 以后自动唤醒该进程；

4 打印操作语句。假设 InRunTimes=1s 以后拷贝打印数据到内存缓冲区，Spooling 系统完成打印任务。发出打印请求的用户作业，在打印数据拷贝到内存缓冲区以后，阻塞队列队

3 头节点出队，进入就绪队列；

5 磁盘文件读操作函数。发生进程调度，进程进入阻塞态；同时关中断，假设

InRunTimes=2s 以后读完文件内容到内存缓冲区，操作系统的读文件模块负责将缓冲区数据拷贝到用户进程 PCB 区域，产生唤醒信号，阻塞队列队 4 的头节点出队，进程进入就绪队列；

6 磁盘文件写操作函数。进程进入阻塞态；同时关中断，假设 InRunTimes=2s 以后写文件数据到内存缓冲区，操作系统的写文件模块负责将缓冲区数据写入磁盘物理块，产生进程唤醒信号，阻塞队列队 5 的头节点出队，进程进入就绪队列；

（3）用户程序指令访问的逻辑地址（L_Address）

由 input1 子文件、input2 子文件分别给出。用十进制表示。需要设计 MMU 类实现逻辑地址转换为物理地址。

L_Address 表示每个用户进程所访问的逻辑地址，需要计算页号和页内偏移。

MMU 类中需要包含名为 PageTableCreate( )函数，函数入口参数自行定义，实现页表生

成。

★如果按界面上实时作业请求按钮：可以随机在已产生的指令文件中选择一个重新执

行。

举例：

选题 1：input1 文件夹中 1 号作业的程序段指令保存在 1.txt 文件中。2 号、3 号用户作业指令段保存在 2.txt、3.txt 文件中.文件第一行为代号。

1.txt 文件内容如下：

1.4 作业运行及调度详细记录的文件保存

◆ 作业和进程调度模块用单独的线程或计时器实现。需要重点注意的是：不是每次发生时钟中断都要进行进程调度。

◆ 时间片计算：进程调度最小时间片 3s。

◆ 进程调度算法：必须完成的调度算法为静态优先数调度算法（代号 JTYX）。扩展算法在选题要求中给出。

◆ 优先数越小，优先级越高。

◆ 程序要求界面可视化显示作业请求与进程调度过程。同时将调度过程以文件形式保存。界面显示和文件保存的信息要清晰、完整、可读；

◆ 作业调度、进程调度运行完成以后，运行记录保存到 ProcessResults-？？？-算法名称代号.txt 文件。？？？表示数字，为每次运行完成所有进程的总分钟数。例如：测试输入数据是 input1 中的数据文件，用 JTYX（静态优先数调度）算法完成机器调度所有作业，总运行分钟数是 166 秒，保存进程运行输入输出以及调度过程中状态变化、统计数据等所有信息，保存到 ProcessResults-166-JTYX.txt 文件，该保存到 output1 子文件夹。

保存内容至少包括：进程 ID、作业到达时间、作业运行时间、作业结束时间、作业中每条指令 ID、指令内容、指令状态转换的时间、CPU 寄存器变化情况、进程 PCB 信息等状态变化信息以及进程调度的周转时间等评价类数据。本次实验与 input1、input2 子文件测试数据对应的输出文件夹分别保存 output1、output2。该文件设计需要强调可读性与可分析性。

◆ ProcessResults-？？？-算法名称代号.txt 文件内容的格式如下：

（1）输出包括 4 段信息，分别为：进程调度事件：内存缓冲区处理事件；井操作事件；状态统计信息。其中，进程调度事件、状态统计信息是必须的，其他两类事件的记录需要根

据选题及申请成绩等级来完成。

（2）进程调度事件信息段的输出信息，每行有时间信息，按照时间顺序，记录发生进程调度事件、进程就绪队列、进程阻塞队列等的状态。

（3）每段输出信息的关键信息加半角中括号[]。批改时会对所有带有中括号的内容进行提取，不加中括号都视为无效信息。

每一行信息的具体格式如下：时间:[关键操作或状态名称：作业或进程信息，] 输出信息格式如下：

作业/进程调度事件：

0:[新增作业:作业编号,请求时间,指令数量]

1:[创建进程:进程 ID,PCB 内存块始地址,内存分配方式]

2:[进入就绪队列:进程 ID:待执行的指令数]

3:[运行进程:进程 ID:指令段编号,指令类型编号,逻辑地址, ]

4:[运行进程:进程 ID:指令段编号,指令类型编号,逻辑地址, ]

5:[运行进程:进程 ID:指令段编号,指令类型编号,逻辑地址, ]

6:[阻塞进程:阻塞队列编号,进程 ID]

7:[缺页中断:进程 ID:PageOut 页号,PageIn 页号]

8:[重新进入就绪队列:进程 ID,待执行的指令数]

9:[阻塞进程:阻塞队列编号,进程 ID]

10:[CPU 空闲]

11:[终止进程 ID]

缓冲区处理事件：

3:[P 操作/V 操作/拷贝入缓冲区/拷贝出缓冲区，4 个动作选择之一]

4:[入缓冲区：进程 ID：指令段编号，磁盘文件读操作：逻辑地址，物理地址，缓冲区地址，交换区物理块地址]

5:[入缓冲区：进程 ID：指令段编号，磁盘文件读操作：逻辑地址，物理地址，缓冲区地址，交换区物理块地址]

6:[P 操作/V 操作/拷贝入缓冲区/拷贝出缓冲区]说明：4 个动作选择之一显示并记录

7:[P 操作/V 操作/拷贝入缓冲区/拷贝出缓冲区]说明：4 个动作选择之一显示并记录

8:[入缓冲区：进程 ID：指令段编号，磁盘文件读操作：逻辑地址，物理地址，缓冲区地址，交换区物理块地址]

9:[P 操作/V 操作/拷贝入缓冲区/拷贝出缓冲区]说明：4 个动作选择之一显示并记录

10:[缓冲区无进程]

结束时间:[进程 ID:作业请求时间+进入时间+总运行时间]

结束时间:[进程 ID:作业请求时间+进入时间+总运行时间] BB1:[阻塞队列 1,键盘输入:进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID]

BB2:[阻塞队列 2,屏幕显示:进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID] BB3:[阻塞队列 3,打印任务:进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID] BB4:[阻塞队列 4,磁盘读文件:进入时间,进程 ID /进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID] BB5:[阻塞队列 5,磁盘写文件:进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID]

PPPP:[PageInterruption:进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID/进入时间,进程 ID]

说明：

在“作业/进程调度事件”中,f 符号均为半角西文态符号：

时间：每秒记录一条信息，两条记录的时间可以相同，表示并发操作；

关键操作或状态：包括新增作业、创建进程、第一次进入就绪队列、重新进入就绪队列阻塞队列、缺页中断、重新进入就绪队列、运行进程、CPU 空闲、终止进程等，输出时请写汉字信息；

记录事件的多少及时间根据选题确定；

作业或进程信息：包括进程 ID，指令编号，指令类型编号等，具体信息见下面的例子，信息用逗号隔开；

在“状态统计信息”中：当每个进程指令全部执行完成以后计算保存。每一行统计一个进程信息；

结束时间：指进程运行结束后的时间；

案例：只考虑进程调度事件、状态统计信息截图

1.6 进程控制块 PCB 设计

下面是进程相关 PCB 内容，本次课设需要补充与逻辑地址、物理地址、外存物理块相关信息。参照 Linux task_struct 的数据结构内容设计；

进程编号（ProID）；值分别为 1,2,3,4,5,6，。。进程优先数（Priority）；

进程创建时间（InTimes）；进程结束时间（EndTimes）；进程状态（PSW）；

进程运行时间列表（RunTimes）；进程周转时间统计（TurnTimes）；

进程包含的指令数目（InstrucNum）；程序计数器信息（PC）；

指令寄存器信息（IR）；

在就绪队列信息列表（包括：位置编号（RqNum）、进入就绪队列时间（RqTimes））；阻塞队列信息列表 1（包括：位置编号（BqNum1）、进程进入键盘输入阻塞队列时间

（ BqTimes1））；

阻塞队列信息列表 2（包括：位置编号（BqNum2）、进程进入显示器输出阻塞队列时间

（ BqTimes2））；

说明：

★系统请求运行的并发进程个数最小值为 5，可以自行设计最大值。

★进程编号（ProID）：整数

★进程优先数（Priority）：随机生成[1-5]整数优先数，优先数越小，优先级越大；

★进程创建时间（InTimes）：由仿真时钟开始计时，整数，假设每条指令执行时间 1s；

★进程结束时间（EndTimes）：显示仿真时钟的时间，整数；

★进程运行时间列表（RunTime）：统计记录进程开始运行时间、时长，时间由仿真时钟提供；

★进程包含的指令数目（InstrucNum）：可自行扩展；

★PSW：保存该进程当前状态：运行、就绪、阻塞；

★指令寄存器信息（IR）：正在执行的指令编号；

★程序计数器信息（PC）；下一条将执行的指令编号；

1.7 系统 PCB 表的设计

需要设计系统空白 PCB 表，假设系统最大 4个进程并发，可用数组、链表、队列实现。

1.8 仿真实现进程控制原语

按照教材步骤仿真实现原语函数，可以作为 PCB 类的方法，包括：进程创建：考虑内存分配与回收。

进程撤销：执行完成的进程调用撤销函数；

进程阻塞;I/O 操作产生，可以不考虑对内存缓冲区的 PV 操作

1.9 其他

◆ 课程设计采用的语言为 JAVA ，需要开发环境下运行以及脱离开发环境独立测试运行

2 课程设计选题

2.1 选题 1：仿真实现作业管理与虚页存储管理（难度系数=4）

◆ 及格要求：完成实验基础要求。利用 5 个线程实现进程并发以及输入输出。多任务作业并发环境下，实现页表生成、MMU 地址变换、进程原语、作业调度算法、静态优先级进程调度算法，页面分配与回收算法。

◆ 良好要求：完成及格要求的前题下，实现缺页中断、外存交换区管理、页表再生成与页面替换 LRU 算法；将内存分配过程、进程调度过程等通过可视化方式呈现。

6 课程设计实践报告内容与要求

注意：逻辑结构合理，层次分明，论述清楚，不要放程序代码，核心算法与关键环节处理用伪码描述。对每个测试结果需要分析说明。

正文：宋体 5 号字，图表需要有编号和名称

封皮（统一格式可下载）目录

摘要（单独一页，500 字以上，包括目的、完成功能、总结核心设计实现技术、测试结果总结等，需要具体化）

关键词（不超过 5 个，与摘要在一页）

1 实践内容与目标

包括：1.1 实践内容、1.2 实践目标（分条目论述完成了任务、实现函数、模块功能）

2 系统功能与 API 函数说明

包括：描述所设计的系统功能说明，所对应的 API 函数名称； API 函数需要说明函数输入、输出变量说明及调用方法

3 硬件仿真设计

分小标题论述，包括：计算机各硬件部件的仿真设计，要有具体的大小和仿真方法等

4 数据结构与基础操作的抽象与实现

分小标题论述，包括：作业控制块及程序指令集设计、与硬件映射的数据结构设计、OS 原语与核心操作，采用示意图与伪码相结合的方式，不能直接拷贝代码等，注意写清楚自己有特色的关键处理；

5 程序整体结构及模块功能的实现

分小标题论述，包括；整个软件系统的结构说明，采用示意图、流程图与伪码相结合的方式说明，不能直接拷贝代码。注意写清楚自己有特色的关键处理；

6 技术问题及解决方案（重点）

分小标题论述，要有具体技术问题描述，发生场景描述，最好配合现场图片；给出具体解决方案和结果测试截图证据等

附件 1：程序文件及结构说明附件 2：类图和顺序图说明

附件 3：带注释的部分核心代码（只需要5 页）