第六章|第六章 6-2设备管理 用户层IO软件 缓冲 磁盘
小部分I/O系统软件放在了用户应用层上。
n库函数（与应用程序链接）
n假脱机技术（虚拟设备）
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。
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。
2）设备分配中的虚拟技术——SPOOLing技术
n虚拟性是OS的四大特征之一。
n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；
n如何将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，允许多个用户共享“同时使用” ？
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假脱机技术
n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（如下页图）
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。
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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。
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缓冲管理
nI/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率；
n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。
n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。
n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。
n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）
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多缓冲引入
nI/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。
n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。
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①循环缓冲的组成
n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
n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
②循环缓冲区的使用
n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。
n主要就是利用指针，操作上述不同类型缓冲区
Getbuf过程：使用缓冲区时，可调用该过程
u计算进程取：current=Nextg,G—>C，nextg下移一个。
u输入进程放：current=nexti，R—>C，nexti下移一个
Releasebuf过程：
计算进程：C->R
输入进程：C->G
一个时段只能用于输入或输出，不能同时双向通信。
③进程同步
n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。
3）缓冲池（Buffer Pool）
循环缓冲的问题
n不能同时双向通讯
n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。
n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。
①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：
1.空缓冲区；
2.装满输入数据的缓冲区；
3.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）
②缓冲区的工作方式
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)
磁盘调度方法
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。
算法：
¨FCFS
¨最短寻道时间优先SSTF
¨扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
循环扫描算法CSCAN
N-Step-SCAN算法
FSCAN算法
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③扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
nSSTF会导致“饥饿”现象
¨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。
n改进：
¨考虑距离的同时，更优先考虑方向
uSCAN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
n先由内向外：选最近的105执行，再判断剩余的，选165，180。
n再由外向内：95，86，55
u循环扫描CSCAN
nSCAN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。
n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。
uN-Step-SCAN
n前述最近寻道算法共同问题：
¨“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。（因：高密度盘，进程的读写可能集中在某一磁道）
¨如现有一系列请求：
3 3 5 2 3 3 3 2 3 3 2 3 3 4 4 5 2 3 3 3 4 4 2 3 3 3 2 2 2 3
不管哪种算法，从3开始向下执行会是
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….
n改进：
¨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。
u
uF-SCAN
nN-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。
访问磁盘过程
对磁盘的访问总是由缺页引起的：
¨CPU给出地址，需要访问某存储单元；
¨并行进行TLB查找和cache查找；
¨TLB查找后申明没有找到；
¨停止并行查找，并通知操作系统处理；
¨操作系统检查页表，发现该页不在内存中，需要从硬盘调入。应该如何进行呢？
1操作系统从主存中选择一页准备换出，为调入的页安排存放空间；
2若被换出的页是“脏”页，需要将其写回磁盘存储；
3操作系统申请I/O总线；
4获得批准后，发送写命令给I/O 设备（磁盘）。
5紧跟着传送需要写回的页的全部数据。
6I/O控制器发现发给自己的写命令
7加入到握手协议，并接受数据。
8根据数据要写入的地址，读/写头移动到正确的柱面，同时，将数据接收到缓冲区。
9寻道结束后，等待相应的扇区旋转到磁头下面，将数据写入扇区中。
10在写入数据间隙，计算校验码并写入扇区中。
11下一步，操作系统继续申请总线（如果还保持总线控制权，则不必申请）。
12得到授权后，向磁盘发出读命令。
13然后，磁盘识别地址，并转换为相应的地址段。
14寻道，将读/写头移动到指定位置。
15从指定扇区中读去数据，并进行校验。
16磁盘申请I/O总线。
【第六章|第六章 6-2设备管理 用户层IO软件 缓冲 磁盘】17得到授权后，将数据通过总线送到内存。
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