操作系统原理中的缓冲技术解决快慢设备矛盾

1.缓冲技术的引入

计算机系统中各个部件间速度的差异是很大的。CPU的速度以微秒甚至毫微秒计量，而一般设备的处理速度以毫秒甚至秒计算。在不同时刻，系统中各部分的负荷也常常很不均衡。例如，某进程可能在一段相当长的时间内只进行计算而无输出；过一段时间之后，又要在很短时间内把产生的大量数据输出到打印机上。这种阵发性的I/O操作，使得CPU又不得不停下来，等待慢速设备的工作。这样，系统中各个部件的并行程度仍不能得到充分发挥。

为了解决这个矛盾，可采用缓冲技术。缓冲技术的基本思想很简单：读入一个记录之后，CPU正在启动对它的操作，输入设备被指示立即开始下面的输入，CPU和输入设备就同时运行起来了。这样，输入设备将数据或指令送入缓冲区，由缓冲区再很快地送到内存。CPU不断地从内存中取出信息进行加工处理，而输入设备也不断地把信息送进来。如果配合得当，那么CPU处理完一个记录，输入设备又送入下一个记录，这样两者就充分地并行起来了。

缓冲技术同样适用于输出的情况，CPU把产生的记录放入缓冲区，输出设备从中取出来输出它们。

实际上，缓冲区不仅限于CPU和I/O设备之间，凡是数据到达速率和离去速率不同的地方都可设置缓冲区。采取缓冲技术可以解决快速通道与慢速外设之间的矛盾，节省通道时间。例如，卡片输入机把一张卡片的内容送到内存大约占用通道60ms，若设置一个80字节的缓冲区，那么卡片机可预先把一张卡片内容送入这个缓冲区，当启动通道请求读入卡片信息时，便可把缓冲区中的内容高速地送到内存，仅需要约100μs的约通道时间。利用缓冲技术可以大大减少对CPU的中断次数，放宽CPU对中断的响应时间要求。例如，从远程终端发来的信息若仅用一位缓冲寄存器接收，那么每发来一个脉冲便中断一次CPU，而且在下次脉冲到来之前，必须将缓冲寄存器中的内容取走，否则会丢失信息。如果设置一个16位缓冲寄存器来接收信息，则仅当16位都装满时才中断一次CPU，从而把中断的频率降低为原中断频率的1/16。

总之，引入缓冲的主要目的有如下几个：

①缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾；

②提高CPU与I/O设备之间的并行性；

③减少对CPU的中断次数，放宽CPU对中断响应时间的要求。

2.缓冲区的设置

缓冲区可以用硬件寄存器实现，如有些终端或打印机都带有缓冲区。这种由硬件实现的缓冲区速度较快，但成本很高，一般容量也不会很大。另外一种较经济的办法是在内存中开辟一片区域充当缓冲区，有人称之为软缓冲。软缓冲的数量可在系统生成时由管理员进行配置。为了管理方便，缓冲区的大小一般与盘块的大小一样。缓冲区的个数可根据数据I/O的速率和加工处理的速率之间的差异情况来确定，可设置单缓冲、双缓冲或多缓冲。

（1）单缓冲(www.xing528.com)

如果数据到达率与离去率相差很大，则可采用单缓冲方式。例如，需要输出的信息很多，而输出设备工作很慢，这时可用一个缓冲区存放从内存中取来的部分输出信息。当输出设备取空缓冲区后，产生中断；CPU处理中断，然后很快装满缓冲区，启动输出，CPU转去执行其他程序。CPU与I/O设备之间是并行工作的。此时，对缓冲区来说，信息的输入和输出是串行工作的。但由于两者速度相差很大，所以这个过程所用的时间基本上是输出设备传送信息所用的时间。

（2）双缓冲

如果信息的输入和输出速率相同（或相差不大），则可利用双缓冲区，实现两者的并行，如图9-3所示。首先把一张卡片读入缓冲区1，装满后打印缓冲区1中的内容，同时启动读卡机向缓冲区2读入下一张卡片。正好当缓冲区l中的内容打印完时，缓冲区2也被装满；然后交换动作，打印缓冲区2的内容，读卡片信息到缓冲区1。如此反复进行。此时，读卡机和打印机处于完全并行的工作状态，I/O设备得到最充分的利用。这种技术有时也叫作缓冲对换技术。

图9-3　双缓冲工作示例

（3）多缓冲

对于阵发性的输入、输出，双缓冲区往往不够使用，并且不能获得令人满意的CPU和I/O设备的并行操作。例如，输入机输入数据的速度有时远高于CPU消耗数据的平均速度，则输入机很快地把缓冲区装满而处于空闲；有时CPU消耗数据的速度又远高于输入机输入数据的速度，CPU不得不处于等待状态。为了解决阵发性I/O的速度不匹配问题，可以设立多个缓冲区。例如，用n个缓冲区构成一个缓冲池，将它们按顺序编号，如0，1，2，3，…，n-1。输入机依次把卡片内容读入各个缓冲区，CPU也按同样的顺序从中取出内容进行处理，由于缓冲区数量多，它们的容量就大，在一般情况下（阵发性：I/O的信息量不是很大），可协调CPU和输入机的并行工作。

可见，双缓冲是多缓冲的一种特例。多缓冲具有双缓冲的优点，同时提高了处理速度，却增加了空间消耗。

在多缓冲的基础上，可以构造循环缓冲或缓冲池。循环缓冲需要另加两个指针：一个指针指向缓冲区中数据的第一个字，另一个指针指向首个空闲区位置。取走并处理数据时，第一个指针后移；而添加新数据时，第二个指针后移。多个缓冲区组成环形结构，这样，两个指针各自到达缓冲池末尾后，下一步就又指向缓冲池的开头。

为了提高缓冲区的利用率，往往采用公用缓冲池的方式，池中的缓冲区可供多个进程共用。当一个进程需要使用缓冲区时，就申请缓冲区，使用完后就释放缓冲区。

在UNIX/Linux系统中，无论对于块设备还是字符设备，都使用了多重缓冲技术，尤其是块设备，它作为文件系统的物质基础，使用了完整的多重缓冲技术，从而提高了文件系统的效率。