设备管理学习之缓冲技术

在操作系统中，引入缓冲的主要原因，可归结为以下几点：

1.改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

例如一个程序，它时而进行长时间的计算而没有输出，时而又阵发性把输出送到打印机。由于打印机的速度跟不上CPU，而使得CPU长时间的等待。如果设置了缓冲区，程序输出的数据先送到缓冲区暂存，然后由打印机慢慢地输出。这时，CPU不必等待，可以继续执行程序。实现了CPU与I/O设备之间的并行工作。事实上，凡在数据的到达速率与其离去速率不同的地方，都可设置缓冲，以缓和它们之间速度不匹配的矛盾。众所周知，通常的程序都是时而计算，时而输出的。

2.可以减少对 CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制。

如果I/O操作每传送一个字节就要产生一次中断，那么设置了n个字节的缓冲区后，则可以等到缓冲区满才产生中断，这样中断次数就减少到1/n，而且中断响应的时间也可以相应的放宽。

3．提高 CPU和 I／O设备之间的并行性。

缓冲的引入可显著提高 CPU和设备的并行操作程度，提高系统的吞吐量和设备的利用率。

与DMA的区别：DMA技术是直接将设备输入数据传送到用户进程的内存区域内，中断后数据不需要在内存中进行移动。而缓冲区则是先将数据存放在内存划定的缓冲区域中，当中断后将数据从缓冲区复制到用户进程内存中（这个速度很快）。

 

缓冲区的类型有两种：硬件缓冲和软件缓冲。硬件缓冲是在硬件上专门增加寄存器组存放缓冲数据。软件缓冲就是在内存中分配一块数据缓冲数据，这个缓冲区由操作系统进行管理。

根据缓冲区设置个数的多少，可分为单缓冲、双缓冲和多缓冲。根据缓冲区的从属关系，可以分为专用缓冲区和缓冲池。

1．单缓冲

为了提高 CPU和设备的并行操作程度，每当一个用户进程发出一个I/O请求时，操作系统便在主存的系统区中为之分配一个缓冲区（如图4-3所示）。例如，CPU从磁盘上读一块数据进行计算要分三步：先从磁盘把一块数据读入到缓冲区中，然后由操作系统将缓冲区的数据传送到用户区，最后由CPU对这一块数据进行计算。当连续读入一组数据时，读入某数据的第一步（输入）和读入它前一个数据的最后一步（计算）是可以并行执行的，这样就提高了CPU和外设的利用率。但是对缓冲区中数据的输入和传送是串行工作的。为使两者能并行工作，必须引入双缓冲。时间为MAX(T,C)+M,M为传送时间。

当输入时间远远大于计算时间的时候，系统的性能并没有显著的提高，当缓冲区不能及时释放，也不会提高性能。

2．双缓冲

双缓冲工作方式（也称为缓冲对换方式）基本方法是在设备输入时，先将数据输入到缓冲区A，装满后便转向缓冲区B。此时操作系统可以从缓冲区A中提取数据传送到用户区，最后由CPU对数据进行计算（如图4-4所示）。

这样可以实现对缓冲区中读入某数据的第一步（输入）和读入它前一个数据的后二步（传送和计算）二者的并行工作，特别是缓冲区中数据的输入和传送的速度基本相匹配时，可获得较好的效果。所以双缓冲进一步加快了I/O的速度，提高了设备的利用率。

但是，双缓冲只是理想模型，实际系统中并不能实现并行操作。

3.循环缓冲

由于数据I/O多数是间断的，可增加缓冲区的个数来改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。我们可以将多个缓冲区组织成循环队列的形式，其中一些队列专门用于输入，另一些队列专门用于输出。如图4-5显示供给输入进程和计算进程使用的输入缓冲区循环队列，输入进程先不断向队列中空缓冲区R输入数据，计算进程再从队列中装满数据的缓冲区G中提取数据用于计算。

4.缓冲池

当系统配置较多的设备时，使用专用缓冲区就要消耗大量的内存空间，且其利用率不高。为了提高缓冲区的利用率，目前广泛使用公用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程共享。

对于同时用于输入/输出的公用缓冲池，至少含有三种类型的缓冲区：空缓冲区、装满输入数据的缓冲区和装满输出数据的缓冲区。为了管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个队列，于是就形成三个队列：空缓冲区队列emq、输入缓冲区队列inq和输出缓冲区队列outq。

缓冲池中有四种工作缓冲区：收容输入、提取输入、收容输出、提取输出。这些工作缓冲区只在数据的输入输出和提取的时候后使用，工作区是从缓冲队列中选取的。

例如数据输入时的步骤：

（1）从空闲队列中选取空闲缓冲区输入，该空闲缓冲区充当了收容输入缓冲区，当缓冲区满的时候放入输入满缓冲队列。

（2）cpu从输入满缓冲区中选择一个缓冲区作为提取输入工作区，当提取完毕后将缓冲区放入空闲缓冲队列中。

数据的输出与输入过程类似。