小部分I/O系统软件放在了用户应用层上。
■库函数(与应用程序链接)
■假脱机技术(虚拟设备)
不允许运行在用户态的应用进程,去直接调用运行在核心态(系统态)的OS过程。 应用进程在运行时,又必须取得OS所提供的服务。 于是: OS在用户层中引入了系统调用,应用程序可以通过它,间接调用OS中的I/O过程,对I/O设备进行操作。
■虚拟性是OS的四大特征之一。
■多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU,实现多个用户共享一台主机;
假脱机技术
多道程序技术,专门利用程序模拟脱机I/O的外围机,完成设备I/O操作。
■称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术(Simultaneaus Periphernal Operating On—Line,或称为假脱机操作)
■一般进程对独占设备的需求被假脱机模拟到磁盘上。所以实现设备虚拟,多道是前提,还需高速、大容量、可随机存取的外存支持。
SPOOLing系统的组成
主要有三大部分
(1)输入井和输出井:磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备,输出井模拟脱机输出时的磁盘。
(2)输入缓冲区和输出缓冲区:为缓解速度矛盾,内存中开辟两大缓冲空间,输入缓冲区暂存输入设备送来的数据,再送给输入井;输出缓冲区暂存输出井送来的数据,再送输出设备。
(3)输入进程和输出进程。 用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能,把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上; 用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能,把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。
SPOOLing系统的特点
(1)提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出,缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
(2)将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备,而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。
(3)最终,实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。
一进程中“CPU计算速度”和“设备I/O速度”仍存在不匹配的矛盾。
解决:CPU进行当前计算时,设备进行后续数据的输入(——缓冲区)。
■I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率;
■缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾,增加CPU和I/O设备的并行性,提高利用率。
■现代OS中,几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时,都用了缓冲区。
■引入缓冲区的主要原因: 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 缓冲区数据成批传入内存,也可进一步减少对CPU的中断频率 最终目的:提高CPU和I/O设备的并行性。
■使用缓冲区的方式: 1)单缓冲、多缓冲 2)循环缓冲 3)缓冲池(Buffer Pool)(设备速度差距越大,缓冲区容量越大)
每当用户进程发出一I/O请求时,OS在主存中为之分配一个缓冲区。 CPU和外设轮流使用,一方处理完后等待对方处理。
■进一步加快输入和输出速度,提高设备利用率制,也称缓冲对换(Buffer Swapping)
■输入:数据送入第一缓冲区,装满后转向第二缓冲区。
■读出:OS从第一缓冲区中移出数据,送入用户进程,再由CPU对数据进行计算。
I/O与CPU速度基本相匹配,采用双缓冲能获得较好的效果,基本上能并行操作。 但,若两者的速度相差甚远,双缓冲的效果仍不够理想;
为进一步协调速度差,可增加缓冲区数量,同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步。
引入多缓冲机制。组织形式:循环缓冲、缓冲池。
设置多块缓冲区 用循环结构组织,只供两个相关进程使用 顺一个方向放入或取出
■多个缓冲区。大小相同,三种类型:
○预备装输入数据的空缓冲区R
○装满数据的缓冲区G
○计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
■多个指针。
○指示正在使用的缓冲区C的指针Current
○指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
○指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti
计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。 主要就是利用指针,操作上述不同类型缓冲区
一个时段只能用于输入或输出,不能同时双向通信。
两个进程的控制:输入进程和计算进程并行执行,如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动,这样就可能出现两种情况: 1)Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度,缓冲区满,只能阻塞输入进程等计算进程取,此情况称为系统受计算限制。
2)Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度,缓冲区空,只能阻塞计算进程等输入进程放,此情况称为系统受I/O限制。
循环缓冲的问题
■不能同时双向通讯
■利用率不高。缓冲区是专用缓冲。(每个进程都要维护自己的一个循环缓冲区),使用有剩余时也不给其他进程使用,消耗大量内存空间。
■系统并发程序很多时,许多这样的循环缓冲需要管理,比较复杂。
为提高缓冲区的利用率,目前广泛流行缓冲池,在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。
系统将多个缓冲区形成一个缓冲池。 池中缓冲区为系统中所有的进程共享使用(如UNIX系统在块设备管理中设置了一个15个缓冲区组成的缓冲池) 组织形式:队列及队列指针
对于既可输入又可输出的公用缓冲池,至少应含有下列三种类型的缓冲区:
■空缓冲区;
■装满输入数据的缓冲区;
■装满输出数据的缓冲区;
为方便管理,将上述类型相同的缓冲区连成队列
■空缓冲区队列(所有进程都可用)
■输入队列(n个进程有各自的队列)
■输出队列(n个进程有各自的队列)
四种工作方式:
1)收容输入:Getbuf(emq),hin;输入数据填入一空缓冲区;Putbuf(inq,hin)
2)提取输入: Getbuf(inq),sin;从输入缓冲队列中取出一数据区的内容;Putbuf(emq,sin)
3)收容输出: Getbuf(emq),hout;输出数据填入一空缓冲区;Putbuf(outq,hout)
4)提取输出: Getbuf(outq),sout;从输出缓冲队列中取一数据区的内容;Putbuf(emq,sout)
首先与格式有关 数据的组织和格式
■盘片、面、磁道、扇区
■为方便处理,每条磁道存储容量相同,每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。
与速度有关
■磁盘类型 固定磁头(每道一磁头) 移动磁头(每盘一磁头)
■访问时间的计算 寻道时间(到磁道) 旋转延迟(到扇区) 传输时间
对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度,使对磁盘的平均访问时间最小。
目标:使平均寻道时间最少。
①FCFS
多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。 磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。
②最短寻道时间优先SSTF
选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求
使每次磁头移动时间最少。 不一定是最短平均柱面定位时间,但比FIFO算法有更好的性能。 对中间的磁道有利,但可能会有进程处于饥饿状态(I/O请求总不被执行)。
③扫描算法SCAN(磁盘电梯调度算法)
规定磁头移动方向:自里向外,再自外向里移动。 后续的I/O磁道请求,哪个在规定方向上距离最近,就先执行哪个。
如当前为100,后续要求55,86,95,180,165,105
先由内向外:选最近的105执行,再判断剩余的,选165,180。
再由外向内:95,86,55
◼循环扫描CSCAN
SCAN的错过问题: 容易错过与当前磁道距离近,但方向不一致的磁道。
修改:将SCAN规定的移动方向改为“单向移动” 由里向外后,再由里向外。
◼N-Step-SCAN
将磁盘请求队列分成长为N 的子队列 按FCFS选择子队列。队列内又按SCAN算法。
3 3 5 2 |3 3 3 2| 3 3 2 3| 3 4 4 5| 2 3 ….2 3
处理子队列过程中产生的新I/O再依次排队列。 N=1时,就是FCFS,N很大时就是SCAN。
◼F-SCAN N-Step-SCAN的简化:
请求队列只分为两个子队列 当前一个队列,按SCAN算法执行; 扫描期间新生成的组成一个队列,等待被扫描。