老狗——设备管理-用户层IO软件 缓冲 磁盘
设备管理-用户层IO软件 缓冲 磁盘
一、用户层的I/O软件
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
SPOOLing技术（假脱机操作）
- 虚拟性是OS的四大特征之一
- 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。
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。
- 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。
- 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
- 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
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。
- 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。
使用缓冲区的方式
设备速度差距越大，缓冲区容量越大
- 单缓冲、多缓冲
- 循环缓冲
- 缓冲池（Buffer Pool）
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。
循环缓冲
1）简介
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
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。
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
磁盘性能简述
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：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。
磁盘调度算法
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。
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。
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。
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。
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。
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。