DJ5-7 缓冲区管理

news2024/11/26 18:37:25

5.7.1 缓冲的引入

5.7.2 单缓冲和双缓冲

1、单缓冲（Single Buffer）

2、双缓冲（Double Buffer）

3、双机通信时缓冲区的设置

5.7.3 循环缓冲

1、循环缓冲的组成

2、循环缓冲区的使用

3、进程同步

5.7.4 缓冲池

1、缓冲池的组成

2、缓冲区队列

3、Getbuf 过程和 Putbuf 过程

4、缓冲区的工作方式

5.7.1 缓冲的引入

缓和 CPU 与 I/O 设备间速度不匹配的矛盾
减少对 CPU 的中断频率，放宽对 CPU 中断响应时间的限制
解决数据粒度不匹配的问题
提高 CPU 和 I/O 设备之间的并行性

如下图所示，我们可以看出缓冲带来的好处，以及如何利用缓冲寄存器实现缓冲：

硬件缓冲和软件缓冲

(1) 硬件缓冲区：配置在设备中，具有专门的用途。

对处理机透明，不需要处理机的直接管理，不会影响系统性能。

(2) 软件缓冲区：是内存空间的一部分。

其目的是为了弥补硬件缓冲区的不足。
因为并非所有外设都拥有足够的硬件缓冲区。
操作系统中介绍的缓冲区都是指软件缓冲区。

5.7.2 单缓冲和双缓冲

1、单缓冲（Single Buffer）

单缓冲：一个缓冲区将被 CPU 和外设轮流使用，一方处理完毕后接着等待另一方处理。

𝑪和𝑻可并行，𝑴和𝑪、𝑴和𝑻不能并行，因此处理一块数据时间：𝒎𝒂𝒙(𝑪,𝑻)+𝑴

由于只有一个缓冲区，因此 CPU 和外设在处理时都是独占缓冲区，故输入(T)和传送(M)不能同时进行。

2、双缓冲（Double Buffer）

双缓冲：设置两个缓冲区，CPU 和外设都可以连续处理而无需等待对方。

要求 CPU 和外设的速度相近。
效率有所提高，且进一步平滑了传输峰值。
系统处理一块数据的时间约为：𝒎𝒂𝒙(𝑪,𝑻)
收发可双向同时传送，𝑴和𝑻可并行。

3、双机通信时缓冲区的设置

5.7.3 循环缓冲

当用户进程处理数据的速度较快、外部设备处理数据的速度较慢，或者用户进程阵发性输入/输出的数据较多时，必须考虑增加缓冲区的数量以改善系统性能，这就是多缓冲区方式。

循环缓冲：多个 I/O 缓冲区常常被组织成一个环形队列。

实质上，双缓冲可以看作是循环缓冲的一个特例。

1、循环缓冲的组成

(1) 多个缓冲区。

(2) 多个指针。

可为缓冲区设置三个指针：

指示计算进程下一个可用缓冲区 G 的指针 Nextg
指示输入进程下一个可用空缓冲区 R 的指针 Nexti
指示计算进程正在使用的缓冲区 C 的指针 Current

2、循环缓冲区的使用

计算进程和输入进程可利用下述两个过程来使用循环缓冲区。

(1) Getbuf 过程

① 当输入进程向空缓冲区写入数据时，由该过程将指针 Nexti 所指示的缓冲区提供给输入进程使用，同时将 Nexti 指针移向下一个 R 缓冲区。

② 当计算进程从满缓冲区读出数据时，由该过程将指针 Nextg 所指示的缓冲区提供给计算进程使用，把它改为现行工作缓冲区，并令 Current 指针指向该缓冲区的第一个单元，同时将 Nextg 指针移向下一个 G 缓冲区。

(2) Releasebuf 过程

① 当输入进程把缓冲区写满时，调用 Releasebuf 过程，将该缓冲区释放并改为 G 缓冲区。

② 当计算进程把缓冲区读完时，调用 Releasebuf 过程，将该缓冲区释放并改为 R 缓冲区。此外，还要把该缓冲区由 C 缓冲区改为 R 缓冲区。

3、进程同步

(1) Nexti 追赶上 Nextg

输入速度大于计算速度，缓冲区满，输入进程阻塞，此情况称为系统受计算限制。

(2) Nextg 追赶上 Nexti

输入速度低于计算速度，缓冲区空，计算进程阻塞，此情况称为系统受 I/O 限制。

5.7.4 缓冲池

上述三种缓冲区的组织形式仅适用于某种特定的 I/O 进程和计算进程，属于专用缓冲。当系统中的设备很多时，将会有许多这样的循环缓冲区，消耗大量的内存空间，而且其利用率也不高。为了提高缓冲区的利用率，可以采用公共缓冲池技术，其中的缓冲区可为多个设备和进程服务。

两种缓冲池：

用于块型设备的缓冲池：缓冲区较大，其长度通常与外部设备物理块的长度相同；
用于字符型设备的缓冲池：缓冲区较小，其长度通常为 8 个字节、16 个字节等。

若单个缓冲区的容量太大会造成资源浪费，而太小的缓冲区则会增加系统管理开销。

1、缓冲池的组成

公用缓冲池，含有以下三种类型的缓冲区：

空闲缓冲区：输入数据和输出数据都能装
装满输入数据的缓冲区
装满输出数据的缓冲区

2、缓冲区队列

为了管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个队列，于是可形成以下三个队列：

空缓冲队列 emq：这是由空缓冲区所链成的队列。
输入队列 inq：这是由装满输入数据的缓冲区所链成的队列。
输出队列 outq：这是由装满输出数据的缓冲区所链成的队列。

3、Getbuf 过程和 Putbuf 过程

对缓冲区进行操作的两个过程：

Getbuf(type)          //type指队列类型
Putbuf(type, number)  //number指缓冲区的编号

信号量设置：

MS：互斥信号量，每个队列一个 MS (type)
RS：资源信号量，每个队列一个 RS (type)

队列操作过程：

Takebuf(type)         //取type类型队列的首缓冲区
Addbuf(type, number)  //将number所指的缓冲区加到队列的队尾

Getbuf 过程和 Putbuf 过程：

Procedure Getbuf(type)
begin
    Wait(RS(type));  //资源信号量
    Wait(MS(type));  //互斥信号量
    B(number) := Takebuf(type);  //从队首摘下一个缓冲区
    Signal(MS(type));
end

Procedure Putbuf(type, number)
begin
    Wait(MS(type));
    Addbuf(type, number);  //将指定缓冲区挂在队列的队尾
    Signal(MS(type));
    Signal(RS(type));
end