==IO==核心子系统

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用户层软件

假脱机技术Spooling

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脱机技术

批处理阶段引入了脱机技术（用磁带完成）

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==假脱机技术==（SPOOLing技术）

==以高速磁盘为缓冲，用软件模拟脱机技术。==

  • 需要使用磁盘空间（输入井和输出井），内存空间（输入和输出缓冲区）。

  • 不需要外围计算机的支持！

==“假”==：以多道程序技术和磁盘空间替代外围机。【以空间换时间】

将一台物理独占设备，**==虚拟成多台逻辑设备==，实现设备共享**。

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具体应用：假脱机技术实现共享打印机

把一台物理设备 虚拟成逻辑上的多台设备。

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设备独立性软件

IO调度

用某种算法确定一个好的顺序来处理各个IO请求。

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设备保护

把设备看成一种特殊的文件。

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设备的分配与回收

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设备分配时应考虑的因素
  • 设备的固有属性：独占设备，共享设备，虚拟设备。
    • image-20260523152349752
  • 设备分配算法（常用）：先来先服务。最高优先级优先。
  • 设备分配中的安全性：
    • ①安全分配方式：进程分配给一个设备后，就将进程阻塞，本次IO完成后才将进程唤醒。【不会有死锁，此时CPU和IO设备只能串行工作】
    • ②不安全分配方式：进程分配给一个设备后，进程可继续执行，之后还可以发出新的IO请求。只有某一个IO请求得不到满足才将进程阻塞。【可能有死锁，不过进程的计算任务和IO任务可以并行处理】
  • 设备分配方式：
    • 静态分配：进程运行前就为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源。【破坏了“请求和保存”条件，不会发送死锁】
    • 动态分配： 进程运行过程中动态申请设备资源。
设备分配管理中的数据结构

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设备控制表（DCT）

系统为每个设备都配置一张DCT，用于记录设备使用情况

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控制器控制表（COCT）

每个设备都对应一张COCT。OS根据COCT的信息对控制器进行操作和管理。

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通道控制表（CHCT）

每个通道都对应一张CHCT。OS根据CHCT的信息对通道进行操作和管理。

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系统设备表（SDT）

记录系统中全部设备的情况，每个设备对于一个表目。

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设备分配的具体步骤
  • 分配设备 → 分配控制器 → 分配通道。

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设备分配步骤的改进

建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，==用户编程只需提供逻辑设备名。==

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逻辑设备表LUT

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缓冲区管理

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缓冲区

==一般在内存中开辟缓冲区==。（硬件做缓冲区成本高，容量小）

（缓冲区根本上是一种临界资源，所以也要考虑进程访问缓冲区的同步问题的）

缓冲区 VS 高速缓存

  • 高速缓存：for提高重复访问的效率。

  • 缓冲区：for提高数据传输的效率和并行性。

Q：单用户计算机上的操作，需要使用缓冲技术的是ABCD

A：图形界面下使用鼠标

B：多任务操作系统下的磁盘驱动器

C：包含用户文件的磁盘驱动器

D：使用存储器映射IO，直接和总线相连的图形卡

缓冲区的作用
  • ①缓和CPU和IO设备之间速度不匹配的矛盾（IO比CPU慢太多了！）
  • ②减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断相应时间的限制
  • ③解决数据粒度不匹配的问题（如输出进程每次可以生成一块数据，但是IO设备每次只能输出一个字符）
  • ④提高CPU和IO设备之间的并行性

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==缓冲区一个小特点==：

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单缓冲

IF用户进程请求某种块设备读入若干块的数据，若采用单缓冲的策略：

OS在主存为其分配一个缓冲区（缓冲区大小等于一个块）

CPU处理一块数据时间C，数据从缓冲区送到用户工作区的时间M，IO设备将一块数据送到缓冲区时间T。

==结论：单缓冲处理每块数据所需时间是 Max（T,C）+ M==

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双缓冲

假设用户进程请求某种块设备读入若干块的数据，采用双缓冲的策略。

OS在主存分配两个缓冲区

==结论：双缓冲处理每块数据所需时间是 Max（T,C+M）==

Note：如果是少数个数据块（不是多数取均值），时间得自己画图，会有出入的！

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单 / 双缓冲在通信时的区别

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（实现双工通信）

循环缓冲

将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列

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缓冲池

由一系列缓冲区组成。

支持多进程==共享使用==。

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回顾

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IO操作实例

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中断服务历程执行结束后，所输入的数据的存放位置是：**==内核缓冲区==** 【前者由设备驱动程序完成】

当系统调用结束时，所输入的数据才被送到：**==用户缓冲区==** 【后者由与设备无关的IO软件层完成】

Other

单机系统中，最关键的是CPU资源，而不是内存和IO设备的问题

  • 所以提高单机资源利用率最关键是：多道程序设计技术。而不是SPOOLing技术。