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🔥 系列专栏：OS从基础到进阶

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⚕️1 I/O核心子系统——概述

🔱1.1 核心子系统要完成的功能

📽️1.1.1 假脱机技术

📽️1.1.2 I/O调度

即各种调度算法。

📽️1.1.3 设备保护

操作系统需要实现文件保护功能，不同的用户对各个文件有不同的访问权限（如：只读、读和写等）。
在UNIX系统中，设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有对应的FCB。当用户请求访问 某个设备时，系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能

📽️1.1.4 设备分配与回收

📽️1.1.5 缓冲区管理（缓冲与高速管理）

🔱1.2 注意

2、3在之前的笔记中已经介绍过，后面的笔记主要介绍1、4、5

⚕️2 缓冲区管理

⚜️2.1 总览

⚜️2.2 缓冲区的定义与作用

⚖️2.2.1 什么是缓冲区

⚖️2.2.2 缓冲区的作用

解释
①CPU是高速的，I/O设备一般而言是低速的。
进行写操作时，CPU快速的将数据放入缓冲区就可以去做其他的事情了，在这个时间内I/O设备可以慢慢的读取缓冲区的内容。
相反的，进行读操作时，I/O设备可以先将数据放入缓冲区内，之后再让CPU快速的读取
②联系I/O控制方式中的直接控制
③输出进程可以一次生成一块数据，而I/O设备每次只可以输入一个字符
④CPU无须一直等待I/O设备的输入输出

⚜️2.3 单缓冲管理方法

⚖️2.3.1 什么是单缓冲策略

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）。

⚖️2.3.2 注意

（1）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。
（2）用户进程的内存空间中，会分出一片工作区来接受输入/输出数据（一般也默认工作区大小与缓冲区相同）。

⚖️2.3.3 CPU处理一块数据的平均时间

在“单缓冲”题型中，可以假设初始状态为工作区满，缓冲区空。则下一次状态又回到工作区满，缓冲区空的过程中所耗费的时间就是CPU处理一块数据的平均时间。
（1）假设I/O设备将数据输入到缓冲区中所耗费的时间为T，用户进程将数据从缓冲区读入到工作区所耗费的时间为M，CPU处理数据的时间为C。如图所示。注意同一时刻只可以有一个进程操作缓冲区。

（2）当T>C时，整个过程如下图所示。则总耗时为T+M

（3）当T<C时，整个过程如下图所示。则总耗时为C+M

（4）因此总结可得：
采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时 Max(C, T)+M

⚜️2.4 双缓冲管理方法

⚖️2.4.1 什么是双缓冲

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（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）

⚖️2.4.2 CPU处理一块数据的平均时间

（1）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。则示意图如下所示。

（2）当T>C+M时，整个工作流程如图所示。处理一块数据的平均用时= T

（3）当T<C+M时，整个工作流程如图所示。

可以看到，在T时刻，缓冲区2已经被充满，但是工作区中的数据还没有被完全处理完。假如2T<2M+C，则当工作区中的数据被处理完之后，缓冲区1又被I/O设备冲入了数据。可以看出，此时我们很难找到一个时刻，可以恢复到初始状态——工作区空，其中一个缓冲区满，另一个缓冲区空。
但是总而言之：

（4）此时我们可以得到结论：
采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时为 Max (T, C+M)

⚜️2.5 使用单/双缓冲在通信时的区别

2.5.1 使用单缓冲

示意图如图所示。很显然，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。

💣2.5.2 使用双缓冲

示意图如图所示。若两个相互通信的机器设置双缓冲区，一个缓冲区用来存储发送的数据，另一个缓冲区用来存储接收的数据。则同一时刻可以实现双向的数据传输

⚜️2.6 循环缓冲区

💣2.6.1 解释

将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列。系统维护一个in指针和一个out指针。in指针指向的缓冲区可以向其中填入数据，out指针指向的缓冲区可以从里面取出数据。

💣2.6.2 示意图

⚜️2.7 缓冲池

💣2.7.1 解释

缓冲队列的示意图如图所示

缓冲池的示意图如图所示

💣2.7.2 工作流程

（1）输入进程请求输入数据
系统从空缓冲队列中取下一块缓冲区放入收容输入区（hin），进程可以向其中输入数据，待进程输入完成后，系统再将该充满数据的缓冲区挂到输出队列的队尾（输入数据的目的肯定是将数据输出）。

（2）计算进程想要取得一块输入数据
系统从输入队列中取得一块冲满输入数据的缓冲区作为“提取输入数据的工作缓冲区（sin）”。待进程将缓冲区读空后，系统再将空缓冲区挂到空缓冲区队列队尾。

（3）计算进程想要将准备好的数据冲入缓冲区。
系统从空缓冲队列中取出一块作为“收容输出数据的工作缓冲区（hout）”。待进程将数据冲满后，再将缓冲区挂到输出队列队尾，准备输出。

（4）输出进程请求输出数据
系统从输出队列中取得一块冲满输出数据的缓冲区作为“提取输出数据的工作缓 冲区（sout）”。待进程将缓冲区读空后，再将空缓冲区挂到空缓冲区队列的队尾。

⚜️2.8 总结

⚕️3 总结

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