5.2 缓冲区管理、设备分配与 SPOOLing

磁盘高速缓存与缓冲区的作用；单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池及其时间计算；设备分配的因素、安全与不安全分配方式，设备分配的数据结构（SDT、DCT、COCT、CHCT）与逻辑设备表；假脱机技术 SPOOLing 与共享打印机；设备驱动程序接口。

高速缓存与缓冲区

磁盘高速缓存

磁盘高速缓存（disk cache）利用内存中的存储空间暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。它在逻辑上属于磁盘，物理上驻留在内存中。磁盘高速缓存可以是内存中一个单独的、大小固定的存储空间，也可以把所有未用的内存空间变为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘 I/O 共享。

缓冲区的作用

在设备管理子系统中，引入缓冲区的目的主要有：

1. 缓和 CPU 与 I/O 设备之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（数据粒度）不匹配的问题；
4. 提高 CPU 与 I/O 设备之间的并行性。

缓冲区可以用硬件缓冲器实现（成本高，只在关键地方使用），更多的是利用内存作为缓冲区。

单缓冲与双缓冲

分析时设：T 为把一块数据从设备输入到缓冲区的时间，M 为把数据从缓冲区传送到用户区的时间，C 为 CPU 处理一块数据的时间。

• 单缓冲：在设备和处理机之间只设置一个缓冲区。缓冲区中的数据必须全部传送到用户区后，才能输入下一块；而用户区中的数据处理完后，才能从缓冲区传送下一块。因此每块数据的平均处理时间为 max(C, T) + M。
• 双缓冲：设置两个缓冲区。设备先向缓冲区 1 输入，装满后转向缓冲区 2 输入，同时 CPU 从缓冲区 1 取数据处理……两个缓冲区交替使用，设备可以连续输入。每块数据的平均处理时间为 max(C + M, T)。若 C + M < T，磁盘可以连续工作；若 C + M > T，CPU 不必等待设备输入。

双缓冲常用于两台机器之间的双向通信：为每台机器设置两个缓冲区，一个用作发送缓冲区，一个用作接收缓冲区。

循环缓冲与缓冲池

• 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，构成环形。用 in 指针指向可以输入数据的第一个空缓冲区，out 指针指向可以提取数据的第一个满缓冲区。
• 缓冲池：由多个系统公用的缓冲区组成，按使用状况分为三个队列：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）、装满输出数据的缓冲队列（输出队列）；还有四种工作缓冲区：用于收容输入数据的、提取输入数据的、收容输出数据的、提取输出数据的工作缓冲区。

缓冲区是一种临界资源，同一时刻只允许一个进程访问。

设备分配与回收

设备分配时应考虑的因素

1. 设备的固有属性：独占设备（一个时段只允许一个进程使用，如打印机）；共享设备（允许多个进程同时访问，宏观上同时、微观上交替，如磁盘）；虚拟设备（采用 SPOOLing 技术把独占设备改造为共享设备）。
2. 设备分配算法：先来先服务、优先级高者优先等。
3. 设备分配中的安全性：
   • 安全分配方式：进程发出 I/O 请求后便进入阻塞态，直到 I/O 完成才被唤醒。这样进程不会在占有一个设备的同时再请求其他设备，摒弃了「请求和保持」条件，不会死锁；但 CPU 与 I/O 设备是串行工作的。
   • 不安全分配方式：进程发出 I/O 请求后仍继续运行，需要时又可以发出第二个、第三个 I/O 请求。进程推进迅速，但可能死锁。

设备分配的数据结构

• 系统设备表（SDT）：整个系统一张，记录系统中全部设备的情况，每个设备占一个表目，包括设备类型、设备标识符、指向 DCT 的指针、驱动程序入口等；
• 设备控制表（DCT）：每个设备一张，记录设备类型、设备标识符、设备状态（忙/闲）、指向 COCT 的指针、重复执行次数、设备队列的队首指针（等待该设备的进程 PCB 队列）等；
• 控制器控制表（COCT）：每个设备控制器一张，记录控制器的状态以及与之相连的通道（指向 CHCT 的指针）；
• 通道控制表（CHCT）：每个通道一张，记录通道的状态以及与之相连的控制器。

分配过程：① 根据进程请求的物理设备名查找 SDT，找到该设备的 DCT，若设备忙则把进程的 PCB 挂到设备等待队列上，否则分配设备；② 根据 DCT 找到 COCT，若控制器忙则把 PCB 挂到控制器等待队列上，否则分配控制器；③ 根据 COCT 找到 CHCT，若通道忙则挂到通道等待队列上，否则分配通道。只有设备、控制器和通道三者都分配成功，这次设备分配才算成功，然后才能启动 I/O。

为了实现设备独立性，用户编程时使用逻辑设备名。系统设置一张逻辑设备表（LUT），每个表项包含逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址。进程用逻辑设备名请求设备时，系统为它分配相应的物理设备，并在 LUT 中建立一个表项；以后进程再用这个逻辑设备名请求 I/O 时，系统查 LUT 就能找到物理设备和驱动程序。LUT 可以整个系统设置一张（适用于单用户系统），也可以每个用户一张（放在用户的 PCB 中）。

假脱机技术（SPOOLing）

早期为了缓和 CPU 的高速性与 I/O 设备低速性的矛盾，引入了脱机输入/输出技术：用专门的外围控制机把低速 I/O 设备上的数据传送到高速磁盘上（或相反）。SPOOLing（假脱机）技术则是在联机情况下实现的同时外围操作：利用多道程序设计技术，用一道程序来模拟脱机 I/O 中外围控制机的功能。

SPOOLing 系统由三部分组成：

• 输入井和输出井：在磁盘上开辟的两个存储区域。输入井模拟脱机输入时的磁盘，暂存 I/O 设备输入的数据；输出井模拟脱机输出时的磁盘，暂存用户程序的输出数据；
• 输入缓冲区和输出缓冲区：在内存中开辟的两个缓冲区，输入缓冲区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，把用户要求的数据从输入设备经输入缓冲区送到输入井；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从输出井经输出缓冲区送到输出设备。

共享打印机是 SPOOLing 的典型应用。用户进程请求打印时，SPOOLing 系统并不真正把打印机分配给它，而是：① 在输出井中为它申请一个空闲盘块区，把要打印的数据送入其中；② 为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，填入打印要求，再把该表挂到假脱机文件队列上。对用户进程而言，打印已经「完成」了。打印机空闲时，输出进程从队首取出一张请求表，把数据从输出井传送到输出缓冲区，再由打印机打印。

SPOOLing 的特点：提高了 I/O 的速度（对低速 I/O 设备的操作变成了对磁盘输入井、输出井的操作）；把独占设备改造成了共享设备；实现了虚拟设备的功能——每个进程都感觉自己独占了一台设备。

设备驱动程序接口

为了使新的设备驱动程序能方便地加入系统，要求每个设备驱动程序与操作系统之间都有统一的接口：操作系统为每类设备定义一组驱动程序必须提供的函数（如 open、read、write、ioctl），并规定驱动程序可以调用的内核函数。这样，添加新设备时只需按照接口编写驱动程序，而不必修改操作系统的其他部分。

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