《操作系統(tǒng)》課件 第7章 設(shè)備管理

第7章設(shè)備管理●I/O設(shè)備管理概述

●磁盤管理●I/O控制方式

●緩沖管理本章要點(diǎn)7.1I/O設(shè)備管理概述I/O管理的功能監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)備分配完成I/O操作緩沖管理I/O硬件組成主機(jī)I/O系統(tǒng)——四級(jí)結(jié)構(gòu)微型機(jī)I/O系統(tǒng)——單總線結(jié)構(gòu)I/O設(shè)備設(shè)備的類型塊設(shè)備—如：磁盤、磁帶，塊大小512B~32KB，通常為512B。塊設(shè)備的特點(diǎn)是速度高、隨機(jī)訪問、I/O采用DMA。字符設(shè)備—如：鍵盤、行式打印機(jī)。特點(diǎn)是速度低、不可尋址、I/O采用中斷驅(qū)動(dòng)。設(shè)備控制器●設(shè)備控制器或適配器是I/O設(shè)備的電子部分，它是CPU與I/O設(shè)備之間的接口，它接收從CPU發(fā)來的命令，并控制I/O設(shè)備工作。通常一臺(tái)控制器可控制多臺(tái)同一類型的設(shè)備。●在微機(jī)中，設(shè)備控制器常做成印刷電路卡的形式，如I/O卡。●設(shè)備控制器的種類很多，需要不同的軟件來控制它，這樣的軟件就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?！窨刂破鞯墓δ芙邮蘸妥R(shí)別CPU發(fā)來的命令——控制寄存器數(shù)據(jù)交換——數(shù)據(jù)寄存器了解設(shè)備的狀態(tài)，報(bào)告給CPU——狀態(tài)寄存器地址識(shí)別——地址譯碼器設(shè)備控制器的組成控制器與CPU之間接口——用于控制設(shè)備與總線之間交換數(shù)據(jù)。控制器與設(shè)備之間接口——用于根據(jù)CPU發(fā)來的命令，控制設(shè)備的動(dòng)作。I/O邏輯——用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。I/O邏輯對(duì)收到的地址進(jìn)行譯碼，在根據(jù)譯出的命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。設(shè)備通道雖然有控制器可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，但當(dāng)外設(shè)很多時(shí)，CPU負(fù)擔(dān)過重，為此在CPU與控制器之間增加通道。增加通道的目的“是建立獨(dú)立的I/O操作，不僅使數(shù)據(jù)的傳送能獨(dú)立于CPU，而且有關(guān)I/O操作的組織、管理及結(jié)束也盡量獨(dú)立，以保證CPU有更多的時(shí)間去進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通道是特殊的處理機(jī)它指令單一。沒有內(nèi)存。通道的類型數(shù)組選擇通道連接磁盤等高速外設(shè)。以塊為傳送單位。通道隨與多個(gè)外設(shè)相連，但通常被一個(gè)設(shè)備專用，用完釋放后才讓給其他設(shè)備。數(shù)組多路通道連接高速外設(shè)。如磁盤。綜合字節(jié)多路通道的”并行“和選擇通道的”高速“的優(yōu)點(diǎn)。通道利用一臺(tái)設(shè)備”讀寫定位“的時(shí)間，再與另一外設(shè)交換信息。字節(jié)多路通道連接中、低速外設(shè)。如打印機(jī)、終端等。以字節(jié)為傳送單位。傳送時(shí)，通道與多個(gè)外設(shè)交叉?zhèn)鬟f，當(dāng)一個(gè)外設(shè)交換一個(gè)字節(jié)后，立即騰出，將通道讓給另一個(gè)設(shè)備使用。通道的連接方式單通路多通路設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間有多條通道，增加靈活性。增強(qiáng)可靠性。某通道、控制器壞，也不會(huì)影響數(shù)據(jù)交換。7.2I/O控制方式●I/O數(shù)據(jù)控制方式的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段程序直接控制方式中斷驅(qū)動(dòng)方式DMA控制方式通道方式●在I/O控制的整個(gè)發(fā)展過程中，始終貫穿著一條宗旨，盡量減少主機(jī)對(duì)I/O控制的干預(yù)，把主機(jī)從繁雜的I/O控制事物中解脫出來，以更多地去完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。程序直接控制方式

忙—等待方式缺點(diǎn)CPU與外設(shè)只能串行工作。CPU在一段時(shí)間內(nèi)只能與一臺(tái)外設(shè)交換數(shù)據(jù)信息。無法發(fā)現(xiàn)和處理由于設(shè)備和其它硬件所產(chǎn)生的錯(cuò)誤。中斷驅(qū)動(dòng)方式中斷方式缺點(diǎn)中斷的次數(shù)過多。中斷次數(shù)的急劇增加會(huì)造成CPU無法及時(shí)響應(yīng)中斷，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。DMA控制方式●中斷方式比程序I/O方式有效，但它是以字節(jié)為單位進(jìn)行的，每傳送一個(gè)字節(jié)，控制器便向CPU請(qǐng)求一次中斷，如果將這種方式用于塊設(shè)備的I/O，顯然是低效的。例如要讀1KB的數(shù)據(jù)塊，需要中斷1K次CPU?！駷榱藴p少CPU對(duì)I/O的干預(yù)，引入DMA方式。該方式的特點(diǎn)為：數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊。所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的。僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始或結(jié)束時(shí)，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。DMA控制器的組成增加兩類寄存器：內(nèi)存地址寄存器MAR數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DＣDMA工作過程●當(dāng)CPU需要從磁盤讀數(shù)據(jù)時(shí)，便向磁盤控制器DMA發(fā)命令，●該命令送命令寄存器CR，

●將內(nèi)存地址送內(nèi)存地址寄存器MAR，

●本次要讀的字節(jié)數(shù)送數(shù)據(jù)寄存器DC?！駟?dòng)DMA后，CPU干其他的事情，數(shù)據(jù)傳送在DMA的控制下完成。通道方式DMA方式比中斷方式、程序I/O方式以顯著地減少了CPU的干預(yù)，即從字節(jié)為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，把以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)，減少到對(duì)一組數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。在DMA方式中，每發(fā)出一個(gè)I/O指令，能讀（寫）一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，當(dāng)需要一次去讀多個(gè)離散的數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域時(shí)，則需多條I/O指令和多次中斷，而通道只需一次即可完成。通道有一系列通道指令構(gòu)成?！裢ǖ乐噶畹母袷剑?●操作碼——規(guī)定了指令所要執(zhí)行的操作，如讀、寫等。 ●計(jì)數(shù)——表示本條指令要讀（寫）數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 ●內(nèi)存地址——數(shù)據(jù)要送入的內(nèi)存地址或從內(nèi)存何處取出數(shù)據(jù) ●通道程序結(jié)束位P——表示通道程序是否結(jié)束。 P=1表示本條指令是通道程序的最后一條指令。 ●記錄結(jié)束位R——R=0表示本條通道指令與下一條通道指令 所處理的數(shù)據(jù)屬于一個(gè)記錄，

R=1表示該指令處理的數(shù)據(jù)是最后一條記錄?！裢ǖ乐噶钍纠翰僮鞔aPR計(jì)數(shù)內(nèi)存地址write002501850write01602100write11280790通道指令7.3I/O系統(tǒng)I/O系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)備分配考慮因素設(shè)備固有屬性獨(dú)享設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備設(shè)備分配中的安全性安全分配方式（單請(qǐng)求方式）不安全分配方式設(shè)備的獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性也稱設(shè)備無關(guān)性指用戶程序獨(dú)立于具體物理設(shè)備。即用戶只需說明使用哪類設(shè)備，如打印機(jī)或顯示器（邏輯設(shè)備名），無需指定某個(gè)具體設(shè)備（物理設(shè)備名）。操作系統(tǒng)統(tǒng)一合理地進(jìn)行設(shè)備分配。設(shè)備獨(dú)立性的優(yōu)點(diǎn)設(shè)備分配時(shí)的靈活性易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向設(shè)備獨(dú)立性的實(shí)現(xiàn)——邏輯設(shè)備表操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換。邏輯設(shè)備表（LogicalUnitTable，LUT）

LUT的設(shè)置：

整個(gè)系統(tǒng)一張（單用戶系統(tǒng)）一個(gè)用戶一張（多用戶系統(tǒng)）設(shè)備分配用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表DCT（每個(gè)設(shè)備一張）控制器控制表COCT（每個(gè)控制器一張）通道控制表CHCT（每個(gè)通道一張）系統(tǒng)設(shè)備表SDT（整個(gè)系統(tǒng)一張）設(shè)備分配程序單通路情況下的設(shè)備分配程序SPOOLing技術(shù)——SimultanczusPeriphernalOperationsOn-LineSPOOLing的系統(tǒng)組成：輸入井和輸出井輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)輸入進(jìn)程SPi和輸出進(jìn)程SPo用SPOOLing技術(shù)共享打印機(jī)打印機(jī)是經(jīng)常要用的輸出設(shè)備，屬于獨(dú)享設(shè)備。利用SPOOLing

技術(shù)，可將它改造為一臺(tái)供多用戶共享的設(shè)備，從而提高了設(shè)備的利用率。具體過程：1>用戶要求打印2>輸出進(jìn)程SPO在“輸出井”為之申請(qǐng)一空閑盤區(qū)，并將要求打印的數(shù)據(jù)送入其中。3>SPO為用戶進(jìn)程申請(qǐng)“用戶請(qǐng)求打印表”，將打印要求填入其中，并將該表掛到請(qǐng)求打印隊(duì)列上。4>打印機(jī)空閑時(shí)，SPO從打印隊(duì)列上取出一張“請(qǐng)求打印表”將要打印數(shù)據(jù)從“輸出井”送到內(nèi)存“輸出緩沖區(qū)”，由打印機(jī)進(jìn)行打印。5>重復(fù)4。SPOOLing特點(diǎn)：提高I/O速度將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備功能設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能：向有關(guān)I/O設(shè)備的控制器（中的控制/狀態(tài)寄存器）發(fā)出控制命令，監(jiān)督它們的正確執(zhí)行，并進(jìn)行必要的錯(cuò)誤處理。對(duì)等待各種設(shè)備、控制器和通道的進(jìn)程進(jìn)行排隊(duì)。執(zhí)行比寄存器級(jí)別更高的一些特殊處理，如代碼轉(zhuǎn)換、退出處理等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)不同類型的設(shè)備配置不同的驅(qū)動(dòng)程序。由于驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)，常用匯編語言寫。驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)與I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)。中斷中斷是指在計(jì)算機(jī)執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生任何非尋常和非預(yù)期的急需處理事件，使得CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完畢后又返回原來被中斷處，繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進(jìn)程執(zhí)行的過程。禁止中斷也被稱為關(guān)中斷。PSW的中斷允許位的被重新設(shè)置被稱為開中斷。中斷請(qǐng)求、關(guān)中斷和開中斷都是由硬件實(shí)現(xiàn)的。中斷屏蔽。通過在每一類中斷源設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器，來屏蔽它們的中斷請(qǐng)求。中斷的分類硬中斷內(nèi)中斷外中斷軟中斷中斷優(yōu)先級(jí)●按中斷源的輕重緩急，OS對(duì)不同的中斷賦予了不同的優(yōu)先級(jí)。UNIX系統(tǒng)中，外中斷和陷入的優(yōu)先級(jí)共分為8級(jí)。Windows2000中的中斷優(yōu)先級(jí)分為32級(jí)

●所有線程都運(yùn)行在中斷優(yōu)先級(jí)0和1上●所有的硬件中斷的優(yōu)先級(jí)都高于軟件中斷中斷處理過程●檢查CPU響應(yīng)中斷的條件是否滿足。●如果CPU響應(yīng)中斷，則須關(guān)中斷，使CPU進(jìn)入不可再次響應(yīng)中斷的狀態(tài)。●保存被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場?！穹治鲋袛嘣颉！駡?zhí)行中斷處理子程序?！窕謴?fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場?！耖_中斷。中斷現(xiàn)場保護(hù)示意圖

7.4磁盤管理速度是影響文件系統(tǒng)性能的主要因素提高磁盤I/O速度的主要途徑：

選擇性能好的磁盤

采用好的磁盤調(diào)度算法

設(shè)置磁盤高速緩沖區(qū)磁盤性能影響磁盤性能的因素：數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)磁盤的類型磁盤訪問時(shí)間磁盤結(jié)構(gòu)和管理一個(gè)磁盤含多個(gè)盤片。每個(gè)盤片含兩面。每面含若干個(gè)磁道。每條磁道上存儲(chǔ)相同數(shù)目的二進(jìn)制位。每條磁道又分成若干個(gè)扇區(qū)，一個(gè)扇區(qū)相當(dāng)于一個(gè)盤塊。盤片旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁頭位于某個(gè)磁道、某個(gè)扇區(qū)下時(shí)，就可將該扇區(qū)的內(nèi)容讀出或?qū)懭?。磁盤的格式化（低級(jí)格式化）例一個(gè)磁道分成300個(gè)固定大小的扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)的容量為600個(gè)字節(jié)，其中512個(gè)字節(jié)存放數(shù)據(jù)，88個(gè)字節(jié)存放控制信息。磁盤的類型固定頭磁盤每條磁道上都有一個(gè)讀/寫磁頭（大容量磁盤）移動(dòng)頭磁盤每個(gè)盤面僅配一個(gè)讀/寫磁頭。即微機(jī)上用的硬盤（也叫溫切斯特硬盤）、軟盤。磁盤的訪問尋道時(shí)間Ts：磁頭從當(dāng)前位置移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷的時(shí)間。

(s:啟動(dòng)磁盤時(shí)間、m:常數(shù)=0.3、n:磁道數(shù)) Ts：隨尋道距離的增大而增大，約10ms旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tr：磁頭找到指定的扇區(qū)所經(jīng)歷的時(shí)間。 硬盤Tr=3ms軟盤100ms傳輸時(shí)間Tt：數(shù)據(jù)從磁盤讀出，或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。

(r:磁盤旋轉(zhuǎn)速度N:一條磁道上的字節(jié)數(shù)b:每次讀寫的字節(jié)數(shù))磁盤訪問時(shí)間

如何減少磁盤的訪問時(shí)間例2：磁盤的尋道時(shí)間為10ms，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為10000r/min，每個(gè)磁道有320個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)512個(gè)字節(jié)，假設(shè)讀取一個(gè)包含2560個(gè)扇區(qū)的文件，文件的大小是1.3MB現(xiàn)在估計(jì)磁盤的訪問時(shí)間。

(1)若數(shù)據(jù)順序組織：讀第一個(gè)磁道的時(shí)間如下：Ts+Tr+Tt

(讀320個(gè)扇區(qū)時(shí)間)=10ms+3ms+6ms

=19ms如果在讀其余的磁道時(shí)，不需尋道，后面每個(gè)磁道的讀取時(shí)間是3+6=9ms，讀取整個(gè)文件總時(shí)間=19+7*9=82ms=0.082s(2)如果采用隨機(jī)訪問，也就是說，訪問隨機(jī)分布在磁盤上的扇區(qū)。對(duì)于每個(gè)扇區(qū)的訪問時(shí)間為：

Ts+Tr+Tt

(讀一個(gè)扇區(qū)時(shí)間)=10ms+3ms+0.01875ms=13.01875ms,讀取整個(gè)文件總時(shí)間=2560*13.01875=33328ms=33.328s例1：設(shè)Ts+Tr=13ms,磁道的傳輸速度為1KB/s，要傳輸1K字節(jié)，則Ta=13+1=14ms;要傳輸10K字節(jié)，則Ta=13+10=23ms結(jié)論1：適當(dāng)集中數(shù)據(jù)傳送，有利于提高傳輸速率。結(jié)論2：減少磁盤訪問時(shí)間的途徑之二：數(shù)據(jù)盡可能順序組織磁盤調(diào)度算法——FCFS：先來先服務(wù)優(yōu)點(diǎn)：公平、簡單。缺點(diǎn)：未對(duì)尋道進(jìn)行優(yōu)化，平均尋道時(shí)間較長。SSTF先滿足尋道時(shí)間短的進(jìn)程。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)尋道優(yōu)化缺點(diǎn)：“饑餓”現(xiàn)象發(fā)生FCFS和SSTF磁盤調(diào)度算法——SCAN算法：

對(duì)SSTF算法進(jìn)行改造，不僅考慮要訪問的磁道與當(dāng)前磁盤的距離，更優(yōu)先考慮磁頭的當(dāng)前移動(dòng)方向。因該算法中磁頭的移動(dòng)規(guī)律頗似電梯的運(yùn)行，故稱“電梯調(diào)度算法”。循環(huán)掃描CSCAN：

對(duì)SCAN進(jìn)行改造，解決進(jìn)程嚴(yán)重延遲現(xiàn)象。內(nèi)外內(nèi)外掃描算法磁盤調(diào)度算法——SCAN和CSCAN磁盤調(diào)度算法——N-step-SCAN

對(duì)于SSTF、SCAN、CSCAN均有可能出現(xiàn)磁頭在某處停留不動(dòng)的情況（如進(jìn)程對(duì)某道的訪問頻率高）——稱為磁臂粘著現(xiàn)象。

N-step-SCAN算法將磁盤請(qǐng)求隊(duì)列分成若干個(gè)長度為N的子隊(duì)列，用FCFS依此處理這些子隊(duì)列。在每個(gè)隊(duì)列中用SCAN。 N越大（一個(gè)進(jìn)程一隊(duì)）——>SCAN N越小（N=1）——>FCFSN-step-SCAN掃描算法磁盤調(diào)度算法——FSCAN

將N-step-SCAN算法簡單化為二個(gè)隊(duì)列： 一個(gè)隊(duì)列為：當(dāng)前請(qǐng)求磁盤I/O的進(jìn)程形成的隊(duì)列。由SCAN處理。 另一個(gè)隊(duì)列為：新出現(xiàn)的請(qǐng)求磁盤I/O的進(jìn)程形成的隊(duì)列，這樣一來，新的請(qǐng)求下次掃描時(shí)再處理。FSCAN掃描算法獨(dú)立磁盤冗余陣列廉價(jià)磁盤冗余陣列（ReduntantArrayofInexpensiveDisks，RAID）1987年由美國加利福尼亞大學(xué)克萊分校提出，后得到廣泛應(yīng)用。RAID技術(shù)有7級(jí)，RAID0~RAID6，不同的級(jí)別代表了不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID0RAID

0級(jí)——并行交叉存取系統(tǒng)中有多臺(tái)磁盤驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)磁盤被劃分成多個(gè)條帶。當(dāng)要讀取磁盤上的數(shù)據(jù)時(shí)，采取并行傳輸方式，將各個(gè)磁盤條帶中的數(shù)據(jù)同時(shí)向內(nèi)存中傳輸，從而使傳輸時(shí)間大大減少。廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID1RAID

1級(jí)——磁盤鏡像具有磁盤鏡像功能，但磁盤利用率只有50%。廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID3RAID

3級(jí)——冗余磁盤具有并行傳輸功能的磁盤陣列。用一臺(tái)奇偶校驗(yàn)盤完成容錯(cuò)比RAID1，磁盤利用率高。常用于科學(xué)計(jì)算和圖像處理。假設(shè)磁盤驅(qū)動(dòng)器X1出現(xiàn)故障，給上面等式的兩邊都加上，則有校驗(yàn)數(shù)據(jù)：廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID5RAID

5級(jí)——冗余條帶分散在所有磁盤中具有獨(dú)立傳送傳輸功能的磁盤陣列，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)通路，獨(dú)立地進(jìn)行讀、寫，且無專門的校驗(yàn)盤。常用于I/O較頻繁的事務(wù)處理。廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID6RAID

6級(jí)——兩種奇偶校驗(yàn)方法采用了兩種不同的奇偶校驗(yàn)計(jì)算方法，并保存在兩個(gè)不同磁盤的不同塊中。這就使得即使有兩個(gè)包含用戶數(shù)據(jù)的磁盤出現(xiàn)故障，也可以重新生成數(shù)據(jù)。RAID的優(yōu)點(diǎn)●可靠性高除RAID0級(jí)外，其余各級(jí)均采用了容錯(cuò)技術(shù)，當(dāng)陣列中某一磁盤損壞時(shí)，并不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失，因?yàn)樗葘?shí)現(xiàn)磁盤鏡像，有可實(shí)現(xiàn)磁盤雙工，還可實(shí)現(xiàn)其他的冗余方式，所以可以根據(jù)未損壞磁盤中的信息，來恢復(fù)已損壞的盤中的信息?！翊疟PI/O速度高由于磁盤陣列可采取并行交叉存取方式，故可將磁盤I/O速度提高N-1倍。N為磁盤數(shù)目?！裥阅?價(jià)格比高用RAID技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大容量高速度存儲(chǔ)器時(shí)，其體積與具有相同容量和速度的大型磁盤系統(tǒng)相比，只是后者的1/3，價(jià)格也是后者的1/3，且可靠性更高。即以犧牲1/N的容量為代價(jià)，來換取高可靠性。7.5緩沖管理 緩沖的引入緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾減少對(duì)CPU的中斷頻率提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致的設(shè)備緩沖是在通信問題中，為了使通信雙方的速度匹配而引入的一個(gè)中間層次，這個(gè)層次的速度比通信雙方中較慢的一方快，而與較快的一方更匹配。緩沖的定義緩沖的設(shè)置CACHEI/O設(shè)備或控制器內(nèi)部的純硬件緩沖區(qū)內(nèi)存開辟的緩沖區(qū)脫機(jī)I/O技術(shù)和SPOOLing技術(shù)本節(jié)重點(diǎn)研究的內(nèi)容——內(nèi)存中的緩沖區(qū)單緩沖

若沒有緩沖區(qū)：從磁盤把一塊數(shù)據(jù)送入用戶區(qū)，其所花費(fèi)的時(shí)間為T，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其所花費(fèi)的時(shí)間為C，則系統(tǒng)對(duì)整塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為T+C（T與C串行）

提供緩沖區(qū)從磁盤把一塊數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，其所花費(fèi)的時(shí)間為T，操作系統(tǒng)將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送入用戶區(qū)，花費(fèi)的時(shí)間為M，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其所花費(fèi)的時(shí)間為C，則系統(tǒng)對(duì)整塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為max(C，T)+M(通常M遠(yuǎn)小于T或C)

（T與C并行）問題：通常T>C,CPU等待雙緩沖

對(duì)于雙緩沖，先將數(shù)據(jù)輸入到第一個(gè)緩沖區(qū)，

在向第二個(gè)緩沖區(qū)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，CPU對(duì)第一個(gè)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

因此在有雙緩沖的情況下，系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的時(shí)間為max(C,T)。

如果C<T，塊設(shè)備連續(xù)地輸入，CPU有短時(shí)間的等待；

如果C>T，CPU就不必等待設(shè)備輸入。問題：T>>C,CPU仍等待循環(huán)緩沖

當(dāng)輸入、輸出的速度基本相匹配時(shí)，可使用雙緩沖，但若兩者的速度相差甚遠(yuǎn)時(shí)，雙緩沖的效果就不太理想，因此可有多緩沖。典型的即生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題。緩沖池以上的緩沖只能用于某一進(jìn)程，他們屬于專用緩沖。為了提高緩沖區(qū)的利用率，可采用公用緩沖池。三個(gè)緩沖區(qū)鏈組成的隊(duì)列：空緩沖區(qū)隊(duì)列emq輸入隊(duì)列inq輸出隊(duì)列outq緩沖池四種工作緩沖區(qū)：用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hin用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sin用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hout用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sout緩沖池管理的兩個(gè)過程GetBuf和PutBuf

ProcedurePutbuf(type,number){ wait(MS(type)); Addbuf(type,number); Signal(MS(type)); Signal(RS(type));}ProcedureGetbuf(type){ wait(RS(type));

//同步信號(hào)燈 wait(MS(type));

//互斥信號(hào)燈B(number)=Takebuf(type);

//從隊(duì)列中摘取一緩沖區(qū) Signal(MS(type));}

對(duì)三個(gè)隊(duì)列的操作是類似的，主要有兩個(gè)操作：

AddBuf(Type,number)：將由number指向的緩沖區(qū)掛在某個(gè)隊(duì)列Type

TakeBuf(Type)：從Type指示的某個(gè)隊(duì)列上，摘下一個(gè)緩沖區(qū)。

實(shí)現(xiàn)互斥和同步，系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)過程：GetBuf和PutBuf。

緩沖池管理的工作方式

收容輸入：輸入進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用GetBuf(emq)從emq隊(duì)列摘下一空緩沖區(qū)，作為收容輸入工作緩沖區(qū)hin。把數(shù)據(jù)輸入其中，之后調(diào)用PutBuf(inq,hin)，