5.2 I/O核心子系统

5.2.1 I/O调度

用某个算法来确定满足I/O请求的顺序。例如FCFS、SCAN、C-LOOK等等。

与之前的调度算法别无二致。

5.2.2 I/O保护

由于在UNIX系统中，设备一般是看作一种特殊的文件，因此对于设备的保护与对文件的保护一致，通过在FCB中记录相关的访问权限信息来进行设备访问保护。

5.2.3 假脱机技术

脱机技术：脱离主机的控制进行的输入/输出操作。

利用磁带实现的脱机技术：在输入输出时，使用专门的输入输出设备从磁带中读/写信息。之后再由CPU高速的从磁带中读/写数据。

假脱机技术：又称SPOOLing技术，用软件的方式模拟脱机技术。SPOOLing系统的组成如下

在磁盘上专门开辟出两个存储区域：输入井和输出井。

• 输入井

  • 模拟脱机输入时的磁带

  • 用于收容I/O设备输入的数据

• 输出井

  • 模拟脱机输出时的磁带

  • 用于收容用户进程输出的数据

• 输入缓冲区

  • 在输入进程的控制下，用于暂存从输入设备输入的信息

  • 之后再转入到输入井中

• 输出缓冲区

  • 在输出进程的控制下，用于暂存从输出井传来的数据

  • 之后再传入输出设备上

Spooling系统的管理

• 预输入程序：管理输入缓冲区

• 井管理程序：管理输入输出井

• 缓输出程序：管理输出缓冲区

假脱机技术虽然位于用户层软件，但是考纲中将其归类在了核心子系统的内容中

5.2.4 设备的分配与回收

1、设备分配时应考虑的因素

（1）设备的固有属性

• 独占设备：一个时段只能分配给一个进程（如打印机）

• 共享设备：可同时分配给多个进程使用（如磁盘）

  • 各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观.上交替使用

• 虚拟设备：采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用（如采用SPOOLing技术实现的共享打印机）

（2）设备分配算法

• 先来先服务

• 优先级高者优先

• ……

（3）设备分配中的安全性

• 安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒

  • 优点：破坏了“请求和保持”条件，不会造成死锁

  • 缺点：对于一个进程来说，CPU和I/O只能串行工作

• 不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新I/O请求。只有某个/0请求得不到满足时才将进程阻塞。

  • 优点：效率高，进程和I/O任务可以并行的执行

  • 缺点：有可能发生死锁

2、设备分配方式

• 静态分配：进程运行前为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源

  • 破坏了“请求和保持”条件，不会发生死锁

• 动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源

3、设备分配管理中的数据结构

设备、控制器、通道的关系

• 设备控制表（DCT）：每个设备一张，用于记录设备情况

  • 设备类型

  • 设备标识符

  • 设备状态

  • 指向控制器表的指针：指明设备所属的控制器

  • 重复执行次数或时间：只有多少次I/O操作失败后才判断失败

  • 设备队列的队首指针：指向当前设备的等待进程队列（由PCB组成）

• 控制器控制表（COCT）：每个控制器一张，操作系统跟具COCT对控制器进行操作和管理

  • 控制器标识符

  • 控制器状态

  • 指向通道表的指针：指明控制器所属的通道

  • 控制器队列的队首指针：指向正在等待控制器的进程队列

  • 控制器队列的队尾指针

• 通道控制表（CHCT）：每个通道一张，操作系统根据CHCT对通道进行操作和管理

  • 通道标识符

  • 通道状态

  • 与通道连接的控制器表首址：可通过该指针找到该通道管理的所有控制器相关信息

  • 通道队列的队首指针

  • 通道队列的队尾指针

• 系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目

  • 每一个表目记录设备的相关信息

    • 设备类型

    • 设备标识符

    • DCT（设备控制表）

    • 驱动程序入口

4、设备分配的步骤

1. 根据进程请求的物理设备名查找SDT

2. 根据SDT找到DCT

   • 若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中

   • 不忙碌则将设备分配给进程

3. 根据DCT找到COCT

   • 若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中

   • 不忙碌则将控制器分配给进程

4. 根据COCT找到CHCT

   • 若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中

   • 不忙碌则将通道分配给进 程。

缺点

用户必须使用物理设备名来请求设备，这导致了

• 若换了一个物理设备，则程序无法运行

• 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待这特定的一个

解决方式

建立逻辑设备名与物理设备名的映射表。

用户在请求设备时只需要提供逻辑设备名（即设备类型），系统会查找符合条件且空闲的设备分配给进程。

5.2.5 缓冲区管理

缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区。

使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合（如存储器管理中所用的联想寄存器）

一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区，设备独立性软件的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区。

1、缓冲区的作用

• 缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾

• 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断相应时间的限制

• 解决数据粒度不匹配的问题（输出进程每次输出一块，I/O每次只能输出一个字）

• 提高CPU与I/O设备之间的并行性

2、缓冲策略

（1）单缓冲

假设某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，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区。

若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块

• 当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；

• 当缓冲区为空时， 可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。

分析处理时间

其中，设

• 从设备传入缓冲区的时间为T

• 从缓冲区传入到用户进程的工作区所用的时间为M

• 用户进程处理一块数据的时间为C

则分析每处理一块数据所用的时间，若假设初始状态为工作区满，缓冲区空：

当T>C时

当T<C时

综上，可得单缓冲策略处理一块数据的平均耗时为$\text Max(C,T)+M$

（2）双缓冲

即系统设置了两个缓冲区。同样分析平均耗时，设初始状态为工作区空，一个缓冲区满，一个缓冲区空，则有：

当 T < C+M 时

当 T > C+M 时

综上，可得双缓冲策略处理一块数据的平均耗时为$\text Max(C+M,T)$

在通信中也可以利用到缓冲区来实现信息的交换。

实际上，管道通信中的“管道”就是缓冲区，要实现数据的双向传输，必须设置两个管道，也就是采用了双缓冲策略。

3、缓冲池

缓冲池由系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区按使用状况可以分为：

• 空缓冲队列

• 装满输入数据的缓冲队列（输入队列）

• 装满输出数据的缓冲队列（输出队列）

另外，根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区：

• 用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）

• 用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）

• 用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）

• 用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）