第五章 设备管理 用户层IO软件 缓冲 磁盘

用户层的I/O软件
小部分I/O系统软件放在了用户应用层上。
库函数（与应用程序链接）
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。
待第9章讨论

2）设备分配中的虚拟技术 —— SPOOLing技术

虚拟性是OS的四大特征之一。
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；
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” /p>

假脱机技术
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）
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。

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。

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。
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）

1）单缓冲与多缓冲

单缓冲（Single Buffer）
每当用户进程发出一I/O请求时，

双缓冲（Double Buffer）
进一步加快输入和输出速度，提高设备利用率制，也称缓冲对换（Buffer Swapping）
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。

多缓冲引入
I/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。
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。

2）循环缓冲(circular buffer)

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：
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）

工作状态决定了current有四种工作缓冲区：
状态 操作者
收容输入数据的工作缓冲区；hin
提取输入数据的工作缓冲区；sin
收容输出数据的工作缓冲区；hout
提取输出数据的工作缓冲区；sout

②缓冲区的工作方式
四种工作方式：
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)

与速度有关
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。

2）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

①FCFS
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。

设当前在100磁道上；
进程要求的访问顺序：55，58，39，18，90，160，150，38，18

③扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
SSTF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。
改进：
考虑距离的同时，更优先考虑方向
SCAN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
先由内向外：选最近的105执行，再判断剩余的，选165，180。
再由外向内：95，86，55

反方向较近的55号磁道请求的进程相对“饥饿”很久

循环扫描CSCAN
SCAN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。
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。
N-Step-SCAN
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 ….

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。

F-SCAN
N-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。

假设一个活动头磁盘有２００道，编号从０－１９９。当前磁头正在１５５道上服务，并且在此之前完成的是１７３道的访盘请求。
现有如下访盘请求序列（磁盘号）：７５，１６８，８１，１３８，８７，１４３，１８７，１２９，１９８，４４。试给出采用下列算法后磁头移动的顺序和移动总量(总磁道数)。
1.最短寻道时间优先（SSTF）磁盘调度算法。
2.扫描法（SCAN）磁盘调度算法（假设沿磁头移动方向不再有访问请求时, 磁头就沿相反方向移动。 44到0磁道的移动忽略不计）

答：1.SSTF磁头移动顺序：
１５５，１４３，１３８，１２９，１６８，１８７，１９８，８７，８１，７５，４４
三段（１５５～１２９，１２９～１９８，１９８～４４）
移动总量=15５-1２９+1９８-１２９+1９８-４４=2４９

2.SCAN：
１５５，１４３，１３８，１２９，８７，８１，７５，４４，１６８，１８７，１９８
两段（1５５～４４，４４～１９８）
移动总量=1５５-4４+1９８-４４=２６５

来源：吃饭睡觉打code