【操作系统】6.2 设备管理 用户层IO软件 缓冲 磁盘

一、用户层的I/O软件
1.系统调用与库函数

• 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。
• 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。

2. SPOOLing技术（假脱机操作）
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。
3.SPOOLing系统的组成

• 输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间
• 输入缓冲区和输出缓冲区
• 输入进程和输出进程

4.SPOOLing系统的特点

• 提高了I/O的速度。
• 将独占设备改造为共享设备。
• 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。

二、缓冲管理

1.缓冲管理

• 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。

2.使用缓冲区的方式：
a.单缓冲与多缓冲
1）单缓冲

• 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。

2）双缓冲

• 两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替
• 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。

两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替

可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。

b.循环缓冲
1）

• 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

2）循环缓冲的组成

• 多个缓冲区。
• 多个指针。

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。

循环缓冲的问题

• 不能同时双向通讯
• 利用率不高

3）缓冲池（可双向缓冲）

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

a.缓冲池的组成
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）

*（队列长度不固定，根据进程实际情况灵活变动，需要多少用多少）
b.缓冲区的工作方式

• 收容输入：Getbuf(emq),hin；输入数据填入一空缓冲区；Putbuf(inq,hin)
• 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)
• 收容输出： Getbuf(emq),hout；输出数据填入一空缓冲区；Putbuf(outq,hout)
• 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)

三、磁盘存储器的性能和调度
1.磁盘性能简述
a.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。
b.磁盘类型

• 固定磁头（每道一磁头）
• 移动磁头（每盘一磁头）

c.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：传输时间占总时间的比例最小，磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法，减少前两项用时，使所有作业的磁盘处理时间均衡。
2.磁盘调度算法
a.FCFS
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。
b.最短寻道时间优先SSTF（会导致“饥饿”现象）
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）。

问题：总选择最近的磁道访问，远磁道请求的进程会长时间得不到执行。

c.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。

问题：容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。

d.循环扫描CSCAN:由里向外后，再由里向外。

问题：“磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上，导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。
e.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。
3.对磁盘的访问总是由缺页引起的
（1）缓冲技术中的缓冲池在：主存中。
（2）为了实现CPU与外设的并行工作，系统引入了：中断和通道硬件机制。
（3）引起中断发生的事件称为：中断源。
（4）设备分配中的安全性是指：设备分配应保证不会引起进程死锁。