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王道-操作系统-ch5-输入输出IO管理

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本文字数： 16k 阅读时长 ≈ 14 分钟

王道

输入/输出(I/O)管理

【考纲内容】
(一）I/O管理基础

  1. 设备（设备的基本概念，设备的分类，I/O接口，I/O端口）
  2. I/O控制方式（轮询方式、中断驱动方式、DMA方式）
  3. I/O 软件层次结构（用户层I/O、设备独立性软件、设备驱动层、中断处理层、硬件层）
  4. $\color{red}{\text{输入/输出}}$ 应用程序接口（字符设备接口，块设备接口，网络设备接口，阻塞/非阻塞I/O）

(二）设备独立软件

  1. 缓冲区管理
  2. 设备分配与回收
  3. 假脱机技术(SPOOLing)
  4. $\color{red}{\text{设备驱动程序接口}}$

(三)外存管理

  1. 磁盘（磁盘结构，格式化，分区，磁盘调度方法）
  2. $\color{red}{\text{固态硬盘}}$ （读写性能特性，磨损均衡）
  • 概述
    • I/O设备分类
    • I/O控制方式—程序直接控制、中断驱动方式、DMA方式、通道方式
    • I/O层次结构——用户层I/O、设备独立性软件、设备驱动层、中断处理层、硬件层
  • 缓冲区
    • 单缓冲
    • 双缓冲
    • 循环缓冲
    • 缓冲池
    • 缓冲区与高速缓存的对比
  • 设备分配
    • 概述
      • 独占设备————独占式使用
      • 共享设备————分时式共享
      • 虚拟设备————SPOOLing方式
    • 数据结构————DCT、COCT、CHCT、SDT
    • 策略————静态分配、动态分配
    • 逻辑设备名到物理设备名的映射
  • SPOOLing系统（虚拟设备技术)————组成、实例

【复习提示】

本章的内容较为分散，重点掌握的内容是I/O设备的基本特性、I/O子系统的特性、三种IO控制方式、高速缓存与缓冲区、SPOOLing 技术。本章的知识点很多，如I/O方式、设备控制等内容与硬件直接相关，建议结合计算机组成原理中的对应章节一起复习。本章内容与组成原理中的交叉较多，很多考点既可作为本章的考点，又可作为组成原理中的考点，因此还未复习组成原理的读者需要清楚地把握本章的每个知识点，为组成原理的学习打下基础，已复习过组成原理的读者遇到比较熟悉的内容时可以跳过，学习本章中组成原理未涉及的部分即可。另外，未复习过组成原理的读者可能会觉得本章的习题较难，但不需要担心。

本章的内容历年来在统考题目中所占的比例不大，若统考中出现本章的题目，则基本上可以断定一定非常简单，看过相关内容的读者就一定会做，而未看过的读者基本上只能靠“蒙”。考研成功的秘诀是复习要反复多次并全面，偷工减料是要吃亏的，希望读者重视本章的内容。

I/O管理概述

学习本章时，可与计算机组成原理的相关知识相结合，并思考I/O管理要完成哪些功能。

I/O设备

I/O设备管理是操作系统设计中最凌乱也最具挑战性的部分。由于它包含了很多领域的不同设备及与设备相关的应用程序，因此很难有一个通用且一致的设计方案。所以在理解设备管理之前，应该先了解具体的IO设备类型。

计算机系统中的IO设备按使用特性可分为以下类型:

1） $\color{green}{\text{人机交互类外部设备}}$ 。用于与计算机用户之间交互的设备，如打印机、显示器、鼠标、键盘等。这类设备的数据交换速度相对较慢，通常是以字节为单位进行数据交换的。

2） $\color{green}{\text{存储设备}}$ 。用于存储程序和数据的设备，如磁盘、磁带、光盘等。这类设备用于数据交换，速度较快，通常以多字节组成的块为单位进行数据交换。

3） $\color{green}{\text{网络通信设备}}$ 。用于与远程设备通信的设备，如各种网络接口、调制解调器等。其速度介于前两类设备之间。网络通信设备在使用和管理上与前两类设备也有很大不同。

除了上面最常见的分类方法，IO设备还可以按以下方法分类。

按传输速率分类

1） $\color{red}{\text{低速设备}}$ 。传输速率仅为每秒几字节到数百字节的一类设备，如 $\color{green}{\text{键盘}}$ 、 $\color{green}{\text{鼠标}}$ 等。

2） $\color{red}{\text{中速设备}}$ 。传输速率为每秒数千字节至数万字节的一类设备，如 $\color{green}{\text{行式打印机}}$ 、 $\color{green}{\text{激光打印机}}$ 等。

3） $\color{red}{\text{高速设备}}$ 。传输速率在数百千字节至千兆字节的一类设备，如 $\color{green}{\text{磁带机}}$ 、 $\color{green}{\text{磁盘机}}$ 、 $\color{green}{\text{光盘机}}$ 等。

按信息交换的单位分类

1） $\color{red}{\text{块设备}}$ 。由于信息的存取总是以数据块为单位的，所以存储信息的设备称为块设备。它属于有结构设备，如 $\color{green}{\text{磁盘}}$ 等。磁盘设备的基本特征是传输速率较高、可寻址，即对它可随机地读/写任一块。

2） $\color{red}{\text{字符设备}}$ 。用于数据输入/输出的设备为字符设备，因为其传输的基本单位是字符。它属于无结构类型，如 $\color{green}{\text{交互式终端机}}$ 、 $\color{green}{\text{打印机}}$ 等。它们的基本特征是传输速率低、不可寻址,并且在输入/输出时常采用中断驱动方式。

I/O控制方式

设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或处理机之间的数据传送。外围设备和内存之间的输入/输出控制方式有4种，下面分别加以介绍。

程序直接控制方式

如图5.1(a)所示，计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读一个字的数据。对读入的每个字，CPU需要对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在IO控制器的数据寄存器中。在程序直接控制方式中，由于CPU的高速性和IO设备的低速性，致使CPU的绝大部分时间都处于等待IO设备完成数据IO的循环测试中，造成了CPU资源的极大浪费。在该方式中，CPU之所以要不断地测试IO设备的状态，就是因为在CPU中未采用中断机构，使IO设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。

程序直接控制方式虽然简单且易于实现，但其缺点也显而易见，由于CPU和I/O设备只能串行工作，导致CPU的利用率相当低。

中断驱动方式

中断驱动方式的思想是，允许IO设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而“解放”CPU,使得其向I/O控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作。如图5.1(b)所示，我们从IO控制器和CPU两个角度分别来看中断驱动方式的工作过程。

图5.1 I/O控制方式找不到图片(Image not found)

从I/O控制器的角度来看，I/O控制器从CPU接收一个读命令，然后从外围设备读数据。一旦数据读入该I/O控制器的数据寄存器，便通过控制线给CPU发出一个中断信号，表示数据已准备好，然后等待CPU请求该数据。I/O控制器收到CPU 发出的取数据请求后，将数据放到数据总线上，传到CPU的寄存器中。至此，本次I/O操作完成，IO控制器又可开始下一次I/O操作。

从CPU的角度来看，CPU 发出读命令，然后保存当前运行程序的上下文(现场，包括程序计数器及处理机寄存器)，转去执行其他程序。在每个指令周期的末尾，CPU 检查中断。当有来自I/O控制器的中断时，CPU保存当前正在运行程序的上下文，转去执行中断处理程序以处理该中断。这时，CPU 从IO控制器读一个字的数据传送到寄存器，并存入主存。接着，CPU恢复发出1O命令的程序（或其他程序）的上下文，然后继续运行。

中断驱动方式比程序直接控制方式有效，但由于数据中的每个字在存储器与I/O控制器之间的传输都必须经过CPU，这就导致了中断驱动方式仍然会消耗较多的CPU时间。

DMA方式

在中断驱动方式中，I/O 设备与内存之间的数据交换必须要经过CPU中的寄存器，所以速度还是受限，而DMA(直接存储器存取)方式的基本思想是在IO设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底“解放”CPU。DMA方式的特点如下:

1）基本单位是数据块。

2）所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反。

3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的。

图5.2列出了DMA控制器的组成。

图5.2 DMA控制器的组成找不到图片(Image not found)

要在主机与控制器之间实现成块数据的直接交换,须在DMA控制器中设置如下4类寄存器:1)命令/状态寄存器(CR)。用于接收从CPU 发来的I/O命令或有关控制信息，或设备的状态。

2）内存地址寄存器（MAR)。在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址;在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。

3）数据寄存器（DR)。用于暂存从设备到内存或从内存到设备的数据。

4）数据计数器（DC)。存放本次要传送的字（节）数。

如图5.1(c)所示，DMA方式的工作过程是:CPU 接收到IO设备的DMA请求时，它给TO控制器发出一条命令，启动DMA 控制器，然后继续其他工作。之后CPU就把控制操作委托给DMA控制器，由该控制器负责处理。DMA 控制器直接与存储器交互，传送整个数据块，每次传送一个字，这个过程不需要CPU参与。传送完成后，DMA 控制器发送一个中断信号给处理器。因此只有在传送开始和结束时才需要CPU的参与。

DMA 控制方式与中断驱动方式的主要区别是，中断驱动方式在每个数据需要传输时中断CPU，而DMA控制方式则是在所要求传送的一批数据全部传送结束时才中断CPU;此外，中断驱动方式数据传送是在中断处理时由CPU控制完成的，而 DMA 控制方式则是在 DMA控制器的控制下完成的。

通道控制方式

I/O通道是指专门负责输入/输出的处理机。I/O通道方式是DMA方式的发展，它可以进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的读(或写)为单位的干预，减少为对一组数据块的读（或写)及有关控制和管理为单位的干预。同时，又可以实现CPU、通道和IO设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。

例如，当CPU要完成一组相关的读（或写）操作及有关控制时，只需向IO通道发送一条I/O指令，以给出其所要执行的通道程序的首地址和要访问的IO设备，通道接到该指令后，执行通道程序便可完成CPU指定的IO任务，数据传送结束时向CPU 发中断请求。

IO通道与一般处理机的区别是:通道指令的类型单一，没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的，也就是说通道与CPU $\color{green}{\text{共享内存}}$ 。

IO通道与DMA方式的区别是:DMA方式需要CPU来控制传输的数据块大小、传输的内存位置，而通道方式中这些信息是由通道控制的。另外，每个 DMA控制器对应一台设备与内存传递数据，而一个通道可以控制多台设备与内存的数据交换。

下面用一个例子来总结以上4种IO控制方式。想象一位客户要去裁缝店做一批衣服的情形。采用程序直接控制时，裁缝没有客户的联系方式，客户必须每隔一段时间去裁缝店看看裁缝把衣服做好了没有，这就浪费了客户不少的时间。

采用中断驱动方式时，裁缝有客户的联系方式，每当他完成一件衣服后，给客户打一个电话,让客户去拿，与程序直接控制能省去客户不少麻烦，但每完成一件衣服就让客户去拿一次，仍然比较浪费客户的时间。

采用DMA方式时，客户花钱雇一位单线秘书，并向秘书交代好把衣服放在哪里(存放仓库),裁缝要联系就直接联系秘书，秘书负责把衣服取回来并放在合适的位置，每处理完100件衣服，秘书就要给客户报告一次（大大节省了客户的时间)。

采用通道方式时，秘书拥有更高的自主权，与 DMA方式相比，他可以决定把衣服存放在哪里，而不需要客户操心。而且，何时向客户报告，是处理完100件衣服就报告，还是处理完10000件衣服才报告，秘书是可以决定的。客户有可能在多个裁缝那里订了货，一位DMA类的秘书只能负责与一位裁缝沟通，但通道类秘书却可以与多名裁缝进行沟通。

I/O子系统的层次结构

IO 软件涉及的面非常广，往下与硬件有着密切的联系，往上又与用户直接交互，它与进程管理、存储器管理、文件管理等都存在着一定的联系，即它们都可能需要IO软件来实现IO操作。

为了使复杂的IO软件具有清晰的结构、良好的可移植性和适应性，在IO软件中普遍采用了层次式结构，将系统输入/输出功能组织成一系列的层次，每层都利用其下层提供的服务，完成输入/输出功能中的某些子功能，并屏蔽这些功能实现的细节，向高层提供服务。在层次式结构的I/O软件中，只要层次间的接口不变，对某一层次中的软件的修改都不会引起其下层或高层代码的变更，仅最低层才涉及硬件的具体特性。

一个比较合理的层次划分如图5.3所示。整个IO系统可以视为具有4个层次的系统结构，各层次及其功能如下:

图5.3 I/O层次结构找不到图片(Image not found)

1） $\color{red}{\text{用户层IO软件}}$ 。实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的 $\color{green}{\text{库函数}}$ ，对设备进行操作。

一般而言，大部分的I/O软件都在操作系统内部，但仍有一小部分在用户层，包括与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的一些程序。用户层软件必须通过一组系统调用来获取操作系统服务。

2） $\color{red}{\text{设备独立性软件}}$ 。用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护及设备分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。

设备独立性也称设备无关性，使得应用程序独立于具体使用的物理设备。为实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念。在应用程序中，使用逻辑设备名来请求使用某类设备;而在系统实际执行时，必须将逻辑设备名映射成物理设备名使用。使用逻辑设备名的好处是:①增加设备分配的灵活性;②易于实现IO重定向，所谓IO重定向，是指用于IO操作的设备可以更换（即重定向)，而不必改变应用程序。

为了实现设备独立性，必须再在驱动程序之上设置一层设备独立性软件。总体而言，设备独立性软件的主要功能可分为以下两个方面:

①执行所有设备的公有操作。包括:对设备的分配与回收;将逻辑设备名映射为物理设备名;对设备进行保护，禁止用户直接访问设备;缓冲管理;差错控制;提供独立于设备的大小统一的逻辑块，屏蔽设备之间信息交换单位大小和传输速率的差异。

②向用户层（或文件层）提供统一接口。无论何种设备，它们向用户所提供的接口应是相同的。例如，对各种设备的读/写操作，在应用程序中都统一使用read/write命令等。

3） $\color{red}{\text{设备驱动程序}}$ 。与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动IO设备工作的驱动程序。

通常，每类设备配置一个设备驱动程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，常以进程形式存在。设备驱动程序向上层用户程序提供一组标准接口，设备具体的差别被设备驱动程序所封装，用于接收上层软件发来的抽象IO要求，如read和 write命令，转换为具体要求后，发送给设备控制器，控制IO设备工作;它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件，从而为IO内核子系统隐藏设备控制器之间的差异。

4） $\color{red}{\text{中断处理程序}}$ 。用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完并恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。

中断处理层的主要任务有:进行进程上下文的切换，对处理中断信号源进行测试，读取设备状态和修改进程状态等。由于中断处理与硬件紧密相关，对用户而言，应尽量加以屏蔽，因此应放在操作系统的底层，系统的其余部分尽可能少地与之发生联系。

5） $\color{red}{\text{硬件设备}}$ 。I/O设备通常包括一个机械部件和一个电子部件。为了达到设计的模块性和通用性，一般将其分开:电子部件称为设备控制器（或适配器)，在个人计算机中，通常是一块插入主板扩充槽的印制电路板;机械部件则是设备本身。

设备控制器通过寄存器与CPU通信，在某些计算机上，这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像IO;另一些计算机则采用IO专用地址，寄存器独立编址。操作系统通过向控制器寄存器写命令字来执行IO功能。控制器收到一条命令后，CPU可以转向进行其他工作，而让设备控制器自行完成具体的I/O操作。当命令执行完毕后，控制器发出一个中断信号，操作系统重新获得CPU的控制权并检查执行结果，此时，CPU仍旧从控制器寄存器中读取信息来获得执行结果和设备的状态信息。

设备控制器的主要功能如下:

1）接收和识别CPU或通道发来的命令，如磁盘控制器能接收读、写、查找等命令。

2）实现数据交换，包括设备和控制器之间的数据传输;通过数据总线或通道，控制器和主存之间的数据传输。

3）发现和记录设备及自身的状态信息，供CPU处理使用。

4）设备地址识别。

为实现上述功能，设备控制器（见图5.4)必须包含以下组成部分:

① $\color{green}{\text{设备控制器与CPU的接口}}$ 。该接口有三类信号线:数据线、地址线和控制线。数据线通常与两类寄存器相连:数据寄存器（存放从设备送来的输入数据或从CPU送来的输出数据）和控制/状态寄存器（存放从CPU送来的控制信息或设备的状态信息)。

② $\color{green}{\text{设备控制器与设备的接口}}$ 。设备控制器连接设备需要相应数量的接口，一个接口连接一台设备。每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。

${\textstyle\unicode{x2462}}$ $\color{green}{\text{IO控制逻辑}}$ 。用于实现对设备的控制。它通过一组控制线与CPU交互，对从CPU收到的I/O命令进行译码。CPU启动设备时，将启动命令发送给控制器，同时通过地址线把地址发送给控制器,由控制器的IO逻辑对地址进行译码,并相应地对所选设备进行控制。

图5.4设备控制器的组成找不到图片(Image not found)

类似于文件系统的层次结构，IO子系统的层次结构也是我们需要记忆的内容，但记忆不是死记硬背，我们以用户对设备的一次命令来总结各层次的功能，帮助各位读者记忆。

例如，当用户要读取某设备的内容时，通过操作系统提供的read命令接口，这就经过了用户层。

操作系统提供给用户使用的接口，一般是统一的通用接口，也就是几乎每个设备都可以响应的统一命令，如read 命令，用户发出的read命令，首先经过设备独立层进行解析，然后交往下层。

接下来，不同类型的设备对read命令的行为会有所不同，如磁盘接收read 命令后的行为与打印机接收read命令后的行为是不同的。因此，需要针对不同的设备，把read 命令解析成不同的指令，这就经过了设备驱动层。

命令解析完毕后，需要中断正在运行的进程，转而执行read 命令，这就需要中断处理程序。

最后，命令真正抵达硬件设备，硬件设备的控制器按照上层传达的命令操控硬件设备，完成相应的功能。

本节小结

本节开头提出的问题的参考答案如下。

IO管理要完成哪些功能?

I/O管理需要完成以下4部分内容:

1）状态跟踪。要能实时掌握外部设备的状态。

2）设备存取。要实现对设备的存取操作。

3）设备分配。在多用户环境下，负责设备的分配与回收。

4）设备控制。包括设备的驱动、完成和故障的中断处理。

I/O核心子系统

在学习本节时，请读者思考以下问题:

1）当处理机和外部设备速度差距较大时，并且此时不想让其中一方等待，有什么办法可以解决问题?

2）什么是设备的独立性?引入设备的独立性有什么好处?

I/O子系统概述

由于IO设备种类繁多，功能和传输速率差异巨大，因此需要多种方法来进行设备控制。这些方法共同组成了操作系统内核的I/O子系统，它将内核的其他方面从繁重的IO设备管理中解放出来。I/O核心子系统提供的服务主要有I/O调度、缓冲与高速缓存、设备分配与回收、假脱机、设备保护和差错处理等。

I/O调度概念

IO 调度就是确定一个好的顺序来执行这些IO请求。应用程序所发布的系统调用的顺序不一定总是最佳选择，所以需要IO调度来改善系统整体性能，使进程之间公平地共享设备访问，减少I/O完成所需要的平均等待时间。

操作系统开发人员通过为每个设备维护一个请求队列来实现调度。当一个应用程序执行阻塞IO系统调用时，该请求就加到相应设备的队列上。IO调度会重新安排队列顺序，以改善系统总体效率和应用程序的平均响应时间。

IO子系统还可使用主存或磁盘上的存储空间的技术，如缓冲、高速缓存、假脱机等来改善计算机效率。

4.3节的磁盘调度算法其实就是IO调度的一种。

高速缓存与缓冲区

磁盘高速缓存( Disk Cache)

操作系统中使用磁盘高速缓存技术来提高磁盘的IO速度，对高速缓存复制的访问要比原始数据访问更为高效。例如，正在运行的进程的指令既存储在磁盘上，又存储在物理内存上，也被复制到CPU的二级和一级高速缓存中。

不过，磁盘高速缓存技术不同于通常意义下的介于CPU与内存之间的小容量高速存储器，而是指利用内存中的存储空间来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。因此，磁盘高速缓存 $\color{red}{\text{逻辑}}$ 上属于 $\color{green}{\text{磁盘}}$ ， $\color{red}{\text{物理}}$ 上则是驻留在 $\color{green}{\text{内存}}$ 中的盘块。

高速缓存在内存中分为 $\color{green}{\text{两种形式}}$ :一种是在内存中开辟一个单独的存储空间作为磁盘高速缓存，大小固定;另一种是把未利用的内存空间作为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘IO时共享。

缓冲区(Buffer)

在设备管理子系统中，引入缓冲区的目的主要如下:

1）缓和CPU与VO设备间速度不匹配的矛盾。

2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。

3）解决基本数据单元大小（即数据粒度）不匹配的问题。

4）提高CPU 和IO设备之间的并行性。

其实现方法如下:

1）采用硬件缓冲器，但由于成本太高，除一些关键部位外，一般不采用硬件缓冲器。

2）采用缓冲区（位于内存区域)。

缓冲区有一个特点，即当缓冲区的数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出;当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满后，才能从缓冲区把数据传出。

根据系统设置缓冲器的个数，缓冲技术可以分为如下几种:

1） $\color{green}{\text{单缓冲}}$ 。在设备和处理机之间设置一个缓冲区。设备和处理机交换数据时，先把被交换数据写入缓冲区，然后需要数据的设备或处理机从缓冲区取走数据。

如图5.5所示，在块设备输入时，假定从磁盘把一块数据输入缓冲区的时间为T，操作系统将该缓冲区中的数据传送到用户区的时间为M,而 CPU对这一块数据处理的时间为C。在研究各种缓冲技术的每块数据的处理时间时，有一个技巧:假设一种初始状态，然后计算下一次到达相同状态时所需要的时间，就是处理一块数据所需要的时间。在单缓冲中，这种初始状态为:工作区是满的，缓冲区是空的。如题目没有明确说明，一般认为缓冲区的大小和工作区的大小相等。

我们假设T>C，从初始状态开始，当工作区数据处理完后，时间为C，缓冲区还没充满，当缓冲区充满时，经历了T时间，停止再冲入数据，然后缓冲区向工作区传送数据，当工作区满了以后，缓冲区的数据同时也为空，用时为M，到达下一个开始状态，整个过程用时M+T;若T< C，同理，整个过程用时M+C。所以单缓冲区处理每块数据的用时为max(C, T)+M。.

图5.5单缓冲工作示意图找不到图片(Image not found)

2） $\color{green}{\text{双缓冲}}$ 。根据单缓冲的特点，CPU在传送时间M内处于空闲状态，由此引入双缓冲。IO设备输入数据时先装填到缓冲区1，在缓冲区1填满后才开始装填缓冲区2，与此同时处理机可以从缓冲区1中取出数据放入用户进程处理，当缓冲区1中的数据处理完后，若缓冲区2已填满，则处理机又从缓冲区2中取出数据放入用户进程处理，而I/O设备又可以装填缓冲区1。注意，必须等缓冲区2充满才能让处理机从缓冲区2取出数据。双缓冲机制提高了处理机和输入设备的并行操作的程度。

为了研究双缓冲处理一块数据的用时，我们先规定一种初始状态:工作区是空的，其中一个缓冲区是满的，另外一个缓冲区是空的;我们不妨假设缓冲区1是空的，缓冲区2是满的。

如图5.6所示，我们假设T< C+M，缓冲区2开始向工作区传送数据，缓冲区1开始冲入数据，当工作区充满数据后，缓冲区为空，时间为M，然后工作区开始处理数据，缓冲区1继续冲入数据，因为此时只有一个IO设备，所以缓冲区2虽然为空，但不能冲入数据。当缓冲区1充满数据后，工作区的数据还未处理完毕，时间为T，当工作区数据处理完毕后，此时工作区为空，缓冲区1满，缓冲区2为空，达到下一个初始状态，用时C+M。

图5.6双缓冲工作示意图找不到图片(Image not found)

我们再来分析T>C+M的情况。缓冲区2开始向工作区传送数据，缓冲区1开始冲入数据，当工作区充满数据并处理完后，用时C+M，但缓冲区1的数据还未充满;当时间为T时，缓冲区1的数据充满，到达下一个初始状态。

总结:双缓冲区处理一块数据的用时为max(C+ M, T)。

若M+C< T，则可使块设备连续输入;若C+ M > T，则可使CPU不必等待设备输入。对于字符设备，若采用行输入方式，则采用双缓冲可使用户在输入第一行后，在CPU执行第一行中的命令的同时，用户可继续向第二缓冲区输入下一行数据。而单缓冲情况下则必须等待一行数据被提取完毕才可输入下一行的数据。

若两台机器之间通信仅配置了单缓冲，如图5.7(a)所示，则它们在任意时刻都只能实现单方向的数据传输。例如，只允许把数据从A机传送到B机，或从B机传送到A机，而绝不允许双方同时向对方发送数据。为了实现双向数据传输，必须在两台机器中都设置两个缓冲区，一个用作发送缓冲区，另一个用作接收缓冲区，如图5.7(b)所示。

图5.7 双机通信时缓冲区的设置找不到图片(Image not found)

3） $\color{green}{\text{循环缓冲}}$ 。包含多个大小相等的缓冲区，每个缓冲区中有一个链接指针指向下一个缓冲区，最后一个缓冲区指针指向第一个缓冲区，多个缓冲区构成一个环形。

循环缓冲用于输入/输出时，还需要有两个指针in和 out。对输入而言，首先要从设备接收数据到缓冲区中，in指针指向可以输入数据的第一个空缓冲区;当运行进程需要数据时，从循环缓冲区中取一个装满数据的缓冲区，并从此缓冲区中提取数据，out指针指向可以提取数据的第一个满缓冲区。输出则正好相反。

4） $\color{green}{\text{缓冲池}}$ 。由多个系统公用的缓冲区组成，缓冲区按其使用状况可以形成三个队列:空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列(输入队列)和装满输出数据的缓冲队列(输出队列)。

还应具有4种缓冲区:用于收容输入数据的工作缓冲区、用于提取输入数据的工作缓冲区、用于收容输出数据的工作缓冲区及用于提取输出数据的工作缓冲区，如图5.8所示。

图5.8缓冲池的工作方式找不到图片(Image not found)

当输入进程需要输入数据时，便从空缓冲队列的队首摘下一个空缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区，然后把输入数据输入其中，装满后再将它挂到输入队列队尾。当计算进程需要输入数据时，便从输入队列取得一个缓冲区作为提取输入工作缓冲区，计算进程从中提取数据，数据用完后再将它挂到空缓冲队列尾。当计算进程需要输出数据时，便从空缓冲队列的队首取得一个空缓冲区，作为收容输出工作缓冲区，当其中装满输出数据后，再将它挂到输出队列队尾。当要输出时，由输出进程从输出队列中取得一个装满输出数据的缓冲区，作为提取输出工作缓冲区，当数据提取完后，再将它挂到空缓冲队列的队尾。

对于循环缓冲和缓冲池，我们只是定性地介绍它们的机理，而不去定量研究它们平均处理一块数据所需要的时间。而对于单缓冲和双缓冲，我们只要按照上面的模板分析，就可以解决任何计算单缓冲和双缓冲情况下数据块处理时间的问题，以不变应万变。

高速缓存与缓冲区的对比

高速缓存是可以保存数据拷贝的高速存储器，访问高速缓存比访问原始数据更高效，速度更快。高速缓存和缓冲区的对比见表5.1。

表5.1 高速缓存和缓冲区的对比找不到图片(Image not found)

设备分配与回收

设备分配概述

设备分配是指根据用户的IO请求分配所需的设备。分配的总原则是充分发挥设备的使用效率，尽可能地让设备忙碌，又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁。从设备的特性来看，采用下述三种使用方式的设备分别称为独占设备、共享设备和虚拟设备。

1） $\color{green}{\text{独占式使用设备}}$ 。指在申请设备时，若设备空闲，则将其独占，不再允许其他进程申请使用，一直等到该设备被释放才允许其他进程申请使用。例如，打印机，在使用它打印时，只能独占式使用，否则在同一张纸上交替打印不同任务的内容，无法正常阅读。

2） $\color{green}{\text{分时式共享使用设备}}$ 。独占式使用设备时，设备利用率很低，当设备没有独占使用的要求时，可以通过分时共享使用提高利用率。例如，对磁盘设备的IO操作，各进程的每次I/O操作请求可以通过分时来交替进行。

3） $\color{green}{\text{以SPOOLing方式使用外部设备}}$ 。SPOOLing (Simultaneous Peripheral Operation On-Line)技术是在批处理操作系统时代引入的，即假脱机I/O技术。这种技术用于对设备的操作，实质上就是对IO操作进行批处理。SPOOLing 技术实质上是一种以空间换时间的技术，而我们熟悉的请求分页系统中的页面调度算法就刚好相反，是以时间换空间的技术。

设备分配的数据结构

设备分配依据的主要数据结构有设备控制表（DCT)、控制器控制表（COCT)、通道控制表(CHCT)和系统设备表(SDT)，各数据结构功能如下。
设备控制表（DCT):我们可以认为，一个设备控制表就表征一个设备，而这个控制表中的表项就是设备的各个属性，如图5.9所示。

图5.9设备控制表找不到图片(Image not found)

前面我们学过4种IO控制方式，通道方式显然要比其他几种方式更加优越，因此现代操作系统的I/O控制采用的都是通道控制。设备控制器控制设备与内存交换数据，而设备控制器又需要请求通道为它服务，因此每个COCT[见图5.10(a) ]必定有一个表项存放指向相应通道控制表(CHCT)[见图5.10(b) ]的指针，而一个通道可为多个设备控制器服务，因此CHCT中必定有一个指针，指向一个表，这个表上的信息表达的是CHCT提供服务的那几个设备控制器。CHCT 与COCT的关系是 $\color{green}{\text{一对多}}$ 的关系。

系统设备表(SDT):整个系统只有一张 SDT，如图5.10(c)所示。它记录已连接到系统中的所有 $\color{green}{\text{物理设备的情况}}$ ，每个物理设备占一个表目。

图5.10COCT、CHCT 和 SDT找不到图片(Image not found)

由于在多道程序系统中，进程数多于资源数，会引起资源的竞争，因此要有一套合理的分配原则，主要考虑的因素有:I/O设备的固有属性、I/O设备的分配算法、I/O设备分配的安全性以及IO设备的独立性。

设备分配的策略

1）设备分配原则。设备分配应根据设备特性、用户要求和系统配置情况。分配的总原则是:既要充分发挥设备的使用效率，又要避免造成进程死锁，还要将用户程序和具体设备隔离开。

2）设备分配方式。设备分配方式有静态分配和动态分配两种。

$\color{green}{\text{静态分配}}$ 主要用于对独占设备的分配，它在用户作业开始执行前，由系统一次性分配该作业所要求的全部设备、控制器（如通道等)。一旦分配，这些设备、控制器（和通道)就一直为该作业所占用，直到该作业被撤销。静态分配方式不会出现死锁，但设备的使用效率低。因此，静态分配方式并不符合分配的总原则。

$\color{green}{\text{动态分配}}$ 在进程执行过程中根据执行需要进行。当进程需要设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，由系统按照事先规定的策略给进程分配所需要的设备、IO控制器,一旦用完，便立即释放。动态分配方式有利于提高设备的利用率，但若分配算法使用不当，则有可能造成进程死锁。

3）设备分配算法。常用的动态设备分配算法有先请求先分配、优先级高者优先等。

对于独占设备，既可以采用动态分配方式，又可以采用静态分配方式，但往往采用静态分配方式，即在作业执行前，将作业所要用的这一类设备分配给它。共享设备可被多个进程所共享，一般采用动态分配方式，但在每个IO传输的单位时间内只被一个进程所占有，通常采用先请求先分配和优先级高者优先的分配算法。

设备分配的安全性

设备分配的安全性是指设备分配中应防止发生进程死锁。

1） $\color{green}{\text{安全分配方式}}$ 。每当进程发出IO请求后便进入阻塞态，直到其IO操作完成时才被唤醒。这样，一旦进程已经获得某种设备后便阻塞，不能再请求任何资源，而且在它阻塞时也不保持任何资源。优点是设备分配安全;缺点是CPU和IO设备是串行工作的（对同一进程而言)。

2） $\color{green}{\text{不安全分配方式}}$ 。进程在发出I/O请求后继续运行，需要时又发出第二个、第三个I/O请求等。仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，才进入阻塞态。优点是一个进程可同时操作多个设备，从而迅速推进进程;缺点是这种设备分配有可能产生 $\color{green}{\text{死锁}}$ 。

逻辑设备名到物理设备名的映射

为了提高设备分配的灵活性和设备的利用率，方便实现IO重定向，引入了设备独立性。设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。

为了实现设备独立性，在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备，在系统中设置一张 $\color{green}{\text{逻辑设备表}}$ (Logical Unit Table，LUT)，用于将逻辑设备名映射为物理设备名。LUT表项包括逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址;当进程用逻辑设备名来请求分配设备时，系统为它分配相应的物理设备，并在LUT中建立一个表项，以后进程再利用逻辑设备名请求I/O操作时，系统通过查找LUT来寻找相应的物理设备和驱动程序。

在系统中可采取两种方式建立逻辑设备表:

1）在整个系统中只设置一张 LUT。这样，所有进程的设备分配情况都记录在这张表中，因此不允许有相同的逻辑设备名，主要适用于单用户系统。

2）为每个用户设置一张 LUT。当用户登录时，系统便为该用户建立一个进程，同时也为之建立一张LUT，并把该表放入进程的PCB。

SPOOLing技术（假脱机技术）

为了缓和 CPU的高速性与I/O设备低速性之间的矛盾，引入了脱机输入/输出技术。该技术利用专门的外围控制机，将低速IO设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。SPOOLing 的意思是外部设备同时联机操作，又称假脱机输入/输出操作，是操作系统中采用的一项将独占设备改造成共享设备的技术。

SPOOLing系统的组成如图5.11所示。

图5.11SPOOLing系统的组成找不到图片(Image not found)
输入井和输出井

输入井和输出井是指在磁盘上开辟出的两个存储区域。输入井模拟脱机输入时的磁盘,用于收容IO设备输入的数据。输出井模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户程序的输出数据。

输入缓冲区和输出缓冲区

输入缓冲区和输出缓冲区是在内存中开辟的两个缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送到输出设备。

输入进程和输出进程

输入进程模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区再送到输入井。当CPU需要输入数据时，直接将数据从输入井读入内存。输出进程模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备。

共享打印机是使用SPOOLing 技术的一个实例，这项技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络。当用户进程请求打印输出时，SPOOLing 系统同意为它打印输出，但并不真正立即把打印机分配给该用户进程，而只为它做两件事:

1）由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中。

2）输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。

SPOOLing系统的主要特点有:提高了IO 的速度;将独占设备改造为共享设备﹔实现了虚拟设备功能。

前面我们提到过SPOOLing技术是一种以空间换时间的技术,我们很容易理解它牺牲了空间,因为它开辟了磁盘上的空间作为输入井和输出井，但它又如何节省时间呢?

从前述内容我们了解到，磁盘是一种高速设备，在与内存交换数据的速度上优于打印机、键盘、鼠标等中低速设备。试想一下，若没有SPOOLing 技术，CPU要向打印机输出要打印的数据，打印机的打印速度比较慢，CPU就必须迁就打印机，在打印机把数据打印完后才能继续做其他的工作，浪费了CPU的不少时间。在SPOOLing 技术下，CPU要打印机打印的数据可以先输出到磁盘的输出井中（这个过程由输出进程控制)，然后做其他的事情。若打印机此时被占用，则SPOOLing 系统就会把这个打印请求挂到等待队列上，待打印机有空时再把数据打印出来。向磁盘输出数据的速度比向打印机输出数据的速度快，因此就节省了时间。

本节小结

本节开头提出的问题的参考答案如下。

当处理机和外部设备速度差距较大时，并且此时不想让其中一方等待，有什么办法可以解决问题?

可以采用缓冲技术来缓解处理机与外部设备速度上的矛盾，即在某块地方（一般为主存)设立一片缓冲区，外部设备与处理机的输入/输出都经过缓冲区，这样外部设备和处理机就都不用互相等待。

什么是设备的独立性?引入设备的独立性有什么好处?

设备独立性是指用户在编程序时使用的设备与实际设备无关。一个程序应独立于分配给它的某类设备的具体设备，即在用户程序中只指明IO使用的设备类型即可。

设备独立性有以下优点:

${\textstyle\unicode{x2460}}$ 方便用户编程。

${\textstyle\unicode{x2461}}$ 使程序运行不受具体机器环境的限制。

${\textstyle\unicode{x2462}}$ 便于程序移植。