【操作系统】设备的分配与回收、缓冲区管理

1. 设备的分配与回收

1. 设备分配时应考虑的因素

固有属性

设备的固有属性分为三种：独占设备、共享设备、虚拟设备。

独占设备：一个时间段分配给一个进程（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）。

分配算法

设备的分配算法:1. 先来先服务。2. 优先级高者优先。3. 短任务优先，等。

分配中的安全性

从进程运行的安全性上考虑，设备分配有两种方式：

安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进行阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒。（eg：进程请求打印机打印输出）

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，之后还可以发出新的I/O请求。只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞。

2. 静态分配和动态分配

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。

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”之间的关系：

一个通道可控制多个设备控制器，每个设备控制器可控制多个设备。

设备控制表（DCT）：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况。

控制器控制表（COCT）：每个设备控制器都会对应一张COCT。操作系统根据COCT的信息对控制器进行管理和操作。

通道控制表（CHCT）：每个通道都会对应一张CHCT。操作系统根据CHCT的信息对通道进程操作和管理。

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。

4. 设备分配的步骤

①根据进程请求的物理设备名查找SDT(注:物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数)。

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。

注意:只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动I/O设备进行数据传送。

5. 设备分配步骤的改进

改进方法:建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需提供逻辑设备名。

逻辑设备表(LUT) 建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系。

某用户进程第一次使用设备时使用逻辑设备名向操作系统发出请求，操作系统根据用户进程指定的设备类型(逻辑设备名)查找系统设备表，找到一个空闲设备分配给进程，并在LUT中增加相应表项。

如果之后用户进程再次通过相同的逻辑设备名请求使用设备,则操作系统通过LUT表即可知道用户进程实际要使用的是哪个物理设备了，并且也能知道该设备的驱动程序入口地址。

逻辑设备表的设置问题:

1. 整个系统只有一张LUT:各用户所用的逻辑设备名不允许重复，适用于单用户操作系统。
2. 每个用户一张LUT:不同用户的逻辑设备名可重复，适用于多用户操作系统。

2. 缓冲区管理

1. 什么是缓冲区？什么作用？

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，由于对页表的访问频率极高，因此使用速度很快的联想寄存器来存放页表项的副本)

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。

2. 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(若没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块)。

注意: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。

思考：如何计算每处理一块数据平均需要多久?

结论:采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时Max(C, T)+M。

3. 双缓冲

假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区(若没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块)

假设初始状态为:工作区空，其中一个缓冲区满，另一个缓冲区空。

注: M(1) 表示“将缓冲区1中的数据传送到工作区”; M(2) 表示“将缓冲区2中的数据传送到工作区”。

结论:采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时为Max(T,C+M)。

4. 使用单/双缓冲在通信时的区别

两台机器之间通信时，可以配置缓冲区用于数据的发送和接受。

显然，若两个相互通信的机器只设置单缓冲区，在任一时刻只能实现数据的单向传输。

若两个相互通信的机器设置双缓冲区，则同一时刻可以实现双向的数据传输。

5. 循环缓冲区

将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列。

6. 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)

3. 小结