缓冲区&结束语

缓冲区管理

这节接上一张仍然是核心子系统的功能实现，本节是缓冲区管理。

什么是缓冲区

缓冲区我们并不陌生，机组原理中讲过的cache还有操作系统中讲述的高速缓冲tlb都是以中国缓冲区，他们都是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可以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，一般仅用于对速度要求非常高的场合（如存储器管理中的联想寄存器TLB,由于对页表的访问频繁，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，更过的是利用内存部分空间作为缓冲区，“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。

这里我们将详细讲述“内存作为缓冲区”的知识点。首先我们先要了解一下缓冲区的作用：

缓和cpu和I/O设备之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。
解决数据颗粒度不匹配的问题，例如输出进程每次可以生成一块数据，但是I/O设备每次只能输出一个字符。
提高cpu和I/O设备之间的并行性。

这里我们介绍几种缓冲区管理策略

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，如果采用单缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区（如果题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）。

此时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，才可以把缓冲区数据传出。其实特别类似于管道机制

如上图，块设备数据->缓冲区用时短于cpu处理数据的时间，因此读入的时间更快，那么一段时间后缓冲区就会被充满数据，此时就不能再继续输入数据了，需要等待cpu一直工作到缓冲区为空时才可以继续块设备数据->缓冲区。所以处理一块数据的平均用时=C+M。

当T>C时，那么cpu处理速度更快，反而不会是的缓冲区被充满，所以此时处理一块数据的平均用时=T+M。所以无论是哪种情况，永远是取速度慢的，所以采用单缓冲策略时，处理一块数据平均耗时Mx(C,T)+M。

双缓冲

假设某用户进程请求某块设备读入若干块的数据。如果采用双缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区（如果题目中没有说明，一个缓冲区的大小就是一块）。那么此时设备对于将数据写入缓冲区1,2的速度相同并且缓冲区->工作区的速度相同的。那么此时假设初始状态为：工作区空，其中的一个缓冲区满，另一个缓冲区空。

那么如果T>M+C,此时即设备将数据填满空数据区2时，另一个数据区1已经全部移到工作区并且被cpu处理完了，那么每次都是设备->缓冲区的速度慢，所以处理一块数据的平均时间就是T。

如果此时T<M=c，那么也就是当满缓冲区1数据移到工作区且被cpu处理完之前，另一个空的缓冲区2已经被填满了，那么此时处理一块数据的平均时间就是M+C。并且在双缓冲策略中，我们发现缓冲区1和缓冲区2是交替进行两个任务：①空的时候就是被设备数据填充②满的时候就是将数据转移到工作区。相应频率是相同的，不会出现一个缓冲区一直空，一个缓冲区一直满的情况，因为两个任务并行进行。所以在双缓冲策略中，处理一个数据块的平均时间为Max(T,M+C)。