虽然中断、DMA和通道控制技术的使用使系统中设备与设备、设备与CPU等得以并行工作，但是I／O设备与CPU的处理速度不匹配问题依然客观存在，从而限制了CPU连接外设的数量，并且在中断方式时造成数据的丢失，制约了计算机系统性能的提高。于是现代操作系统中，几乎所有的I／O设备在与处理机交换数据时都采用了设置缓冲区（器）的方法，因此设备管理的一项主要功能是缓冲管理，缓冲管理的主要职责是组织好缓冲区，并提供获得和释放缓冲区的手段。
6.3.1 缓冲的引入
缓冲区引入的主要原因为以下几点：
（1）缓和CPU与I／O设备间速度不匹配的矛盾，提高CPU和I／O设备之问的并行性。由于CPU的处理速率远远高于I／O设备的数据传送速率，如果没有缓冲区，当计算进程大批量输出数据时，必然会因打印机的速度跟不上而使CPU停下来等待；而在计算进程计算时，打印机又因无数据输出而空闲无事。显然，如果在打印机或控制器中设置一缓冲区，用于暂存进程的输出数据，以后CPU转去做其他工作时，由打印机“慢慢地”从中取出数据打印，这样可使打印机与CPU并行工作，提高CPU的工作效率，提高CPU和I／O设备间的并行操作程度，从而提高系统的吞吐量和设备的利用率。同样，在输入设备与CPU之间设置缓冲区，也可使系统的工作效率得以提高。因此，凡在数据到达速率与其离去速率不同的地方，都可设置缓冲区，以缓和它们之间速率不匹的矛盾。
图6-10 利用缓冲寄存器实现缓冲
（2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。如果将I／O控制器中一个字符的缓冲区增加到可存放100个字符，则I／O控制器对CPU的中断可以延长到100个字符的缓冲区装满后才发出一次中断请求，否则每个字符输入完毕均会产生中断。同样，在远程通信系统中，如果从远程终端发来的数据仅用一位缓冲来接收，则必须在每收到一位数据时便中断一次CPU，这样对于速率为9.6 KB／s的数据通信来说，就意味着其中断CPU的频率也为9.6 KB／s，即每100μs就要中断CPU一次，而且CPU必须在100μs内予以响应，否则缓冲区内的数据将被冲掉，如图6-10a所示，若设置一个具有八位的移位（缓冲）寄存器，如图6-10b所示，则可使CPU被中断的频率降低为原来的1／8，但此时CPU对中断的响应时间仍为100μs，若再设置一个八位缓冲寄存器，如图6-10c所示，则又可把CPU对中断的响应时间延长8倍，放宽到800μs，从而减少设备对CPU的中断频率，并延长CPU中断响应的限制时间。
6.3.2 缓冲的种类
根据I／O控制方法，缓冲的实现方法有两种：一种是采用专用硬件缓冲器，I／O控制器的数据缓冲寄存器；另一种方法是在内存中辟出专用区域作为缓冲区，操作系统管理下用来服务于各种I／O设备，内存缓冲区又称软件缓冲。
根据系统设置的缓冲器的个数，缓冲的种类有单缓冲、双缓冲、多缓冲。
6.3.3 缓冲池管理
1.缓冲池的组成
对于既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池，至少应包含有以下三类的缓冲区：
（1）空（闲）缓冲区。
（2）装满输入数据的缓冲区。
（3）装满输出数据的缓冲区。
系统把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：
（1）空缓冲队列cmq。这是由空缓冲区所链成的队列，其队首指针为F（emq），队尾折针为L（emq）。
（2）装满输入数据的缓冲区所链成输入缓冲队列inq。其队首指针为F（inq），队尾指针为L（inq）。
（3）装满输出数据的缓冲区所链成的输出队列outq。其队首指针为F（outq），队尾指针为L（outq）。
系统或用户进程从上述三个队列中申请和取出缓冲区，并用得到的缓冲区进行存、取数据操作，在操作结束后，再将缓冲区放入相应的队列，这些申请得到的缓冲区被称为工作缓冲区，在缓冲池中有以下四种工作缓冲区，分别工作在四种方式下，如图6-11所示。
（1）用于收容设备输入数据的工作缓冲区hin，工作在收容输入方式下。
（2）用于提取设备输入数据的工作缓冲区sin，工作在提取输入方式下。
（3）用于收容CPU输出数据的工作缓冲区hout，工作在收容输出方式下。
（4）用于提取CPU输出数据的工作缓冲区sout，工作在提取输出方式下。
2.缓冲池管理
缓冲池的管理由如下四个过程完成：
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图6-11 缓冲池中工作缓冲区的工作方式
（1）Addbuf（type，number）过程。用于将由参数number所指示的缓冲区挂在type队列上。
（2）Takebuf（type）过程。该过程用于从type所指示的队列的队首摘取一个缓冲区。
（3）Getbuf（type）过程。进程申请缓冲区的过程。
（4）Putbuf（type，workbuf）过程。进程将缓冲区放入相应缓冲区队列的过程。
其中参数type表示缓冲队列类型，number为缓冲区号，workbuf表示工作缓冲区类型。
因为缓冲池中的队列是临界资源，多个进程在访问一个队列时既应互斥，又须同步，因此为每一个缓冲区队列设置了一个互斥信号量MS（typc），又为每个缓冲区队列设置了一个资源信号量RS（type），Addbuf（type，number）过程和Takebuf（type）过程分别被Getbuf（type）过程和Putbuf（type，workbuf）过程调用，既可实现互斥又可保证同步的Getbuf过程和Putbuf过程描述如下：
Procedure Getbuf（type）
begin
Wait（RS（type））；
Wait（MS（typc））；
B（number）：＝Takebuf（type）；
Signal（MS（type））；
end
Procedure Putbuf（type，number）
begin
Wai t（MS（type））；
Addbuf（type，number）；
Signal（MS（type））；
Signal（RS（type））；
end
缓冲池的工作在cmq、inq和outq三个队列，以及Getbuf（type）和Putbuf（type，workbuf）两个过程下完成，工作缓冲区在收容输入、提取输入、收容输出和提取输出四种工作方式下的工作过程如下：
（1）收容输入。在输入进程需要从设备输入数据时，调用Getbuf（emq）过程，从空缓冲队列emq的队首摘下一个空缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区hin，然后把数据输入其中，装满后再调用Putbuf（inq，hin）过程，将该缓冲区挂在输入队列inq上。
（2）提取输入。当计算进程需要输入数据时，调用Getbuf（inq）过程，从输入队列inq的队首摘取一个缓冲区，作为提取输入工作缓冲区sin，计算进程从中提取数据，数据提取完毕后，再调用Putbuf（emq，sin）过程，将该缓冲区挂到空缓冲队列emq上。
（3）收容输出。当计算进程需要输出CPU的计算数据时，调用Getbuf（emq）过程从空缓冲队列emq的队首取得一个空缓冲区，作为收容输出工作缓冲区hout。当其中装满输出数据后，又调用Putbuf（outq，hout）过程，将该缓冲区挂在outq队尾。
（4）提取输出。由输出进程调用Getbuf（outq）过程，从输出队列的队首摘取一个装满输出数据的缓冲区，作为提取输出工作缓冲区sout，在数据提取完后，再调用Putbuf（emq，sout）过程，将该缓冲区挂在空缓冲队列末尾。
上述缓冲区队列的管理方法采用的是FIFO（先进先出）的方法，也可视情况采用其他的缓冲区队列管理策略。
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