Lecture 12：知识 - 设备独立性软件

本讲围绕 I/O 核心子系统展开：设备独立性软件把逻辑设备请求与具体硬件隔离，负责设备保护、分配与回收、缓冲管理及逻辑设备映射；驱动程序控制具体设备，中断处理程序承接硬件完成通知。I/O 调度是核心子系统的通用功能；SPOOLing 是本讲重点，但按源课件的软件分层归入用户层。

12.1 I/O 核心子系统

功能	含义
I/O 调度	用合适的算法决定多个 I/O 请求的处理顺序。
设备保护	按访问权限限制设备使用。UNIX 将设备抽象为特殊文件，设备文件具有 FCB 等元数据，系统据其权限信息判断用户是否可访问；现代 UNIX/Linux 的 inode 表述属于教材补充。
缓冲与高速缓存	组织内存中的缓冲区，缓和速度/粒度矛盾并减少磁盘 I/O。
设备分配与回收	在设备、控制器、通道均可用时分配资源，使用结束回收。
假脱机	通过软件和磁盘队列把独占设备虚拟为可共享设备。

在分层 I/O 软件中，设备独立性软件位于用户层软件和驱动程序之间。按源课件的分层口径，SPOOLing 管理程序归入用户层；设备相关控制由驱动程序完成，硬件中断入口由中断处理程序完成。

NOTE · 教材补充：实现边界实际系统常把设备驱动与其注册的中断处理紧密结合，但概念分层时仍应区分二者。

12.2 缓冲区与高速缓存

缓冲区是暂存数据的区域，可由硬件寄存器实现，也常以主存实现。寄存器缓冲快但贵、容量小，只用于容量需求很小的设备接口；设备独立性软件主要管理内存缓冲区。

NOTE · 教材补充：适用范围源课件把缓冲区表述为“逻辑上属于磁盘、物理上驻留于内存的盘块”，该说法适合其讨论的块设备缓冲；字符设备、网络、管道等缓冲区并不对应磁盘块。

缓冲的五个目的

缓和 CPU 与 I/O 设备的速度不匹配。
减少 CPU 中断频率，放宽中断响应时间限制。
匹配数据粒度，例如进程每次生成一块、设备每次只能输出一个字符。
让 CPU 与 I/O 设备并行工作。
利用局部性缓存常用磁盘块，减少磁盘 I/O 次数。

缓冲不能减少平均寻道时间、不能直接提高磁盘数据可靠性、也不是实现设备无关性的手段。

NOTE · 教材补充：效果边界若 I/O 时间远小于 CPU 处理时间，缓冲对流水吞吐瓶颈的改善通常很小，但仍可能减少一部分同步等待，不能理解为任何场景下都毫无作用。

延迟写：把修改后的数据先写入缓冲区，在缓冲区首部设置延迟写标志，并稍后批量写回。若短期内再次访问同一数据，可直接命中缓冲，避免不必要的磁盘写入。按课件所述的经典空闲缓冲区链表算法，该缓冲区随后被申请是触发写回的时机之一。

NOTE · 教材补充：写回触发条件一般系统也可能因后台周期回写、内存压力或缓存回收，以及 sync、fsync 等显式同步请求而写回，不能绝对化为“只有再次申请时才写盘”。

单缓冲时间计算

题目未特别说明时，一个缓冲区大小为一个块。设：

$T$：设备 → 缓冲区的输入时间；
$M$：缓冲区 → 用户工作区的传送时间；
$C$：CPU 处理工作区的时间。

单缓冲通常假设初态为“工作区满、缓冲区空”。缓冲非空时不能继续输入，缓冲为空时必须先充满才能输出给工作区。

情形	瓶颈	处理一块数据的平均时间
$T\ge C$	CPU 完成后仍需等待下一块输入；$T=C$ 时恰好同时结束	$T+M$
$T<C$	缓冲已满，设备需等 CPU 取走数据	$C+M$

即稳态平均时间为：

$$T_{single}=M+\max(T,C)$$

IMPORTANT · 教材补充：公式适用边界这是源课件在“工作区初始有一块待处理数据、唯一缓冲区为空”条件下得到的稳态平均每块时间。它还假设每块的 $T、M、C$ 固定，数据必须整块填满后才能传送，且同一块的 $M$ 与 $C$ 串行；单缓冲执行 $M$ 时缓冲区尚未释放，下一块输入不能同时占用它。若改为从设备、缓冲区和工作区均为空开始处理 $n\ge1$ 块，并以第 $n$ 块完成 CPU 处理为终点，则在同一简化模型下： $$ T_{single,total}=T+M+(n-1)\left[M+\max(T,C)\right]+C $$ 开头的 $T+M$ 是启动，末尾的 $C$ 是排空；因此有限批次不能直接写成 $nT_{single}$。

双缓冲、循环缓冲与缓冲池

双缓冲：两个缓冲区交替使用。设备把数据装满缓冲区 1 后转向缓冲区 2；同时 OS 可把缓冲区 1 的数据送入工作区供 CPU 处理。未特别说明时，初态为“工作区空、一个缓冲满、另一个缓冲空”。设备输入时间 $T$ 可与 $C+M$ 并行：

$$T_{double}=\max(T,C+M)$$

IMPORTANT · 教材补充：公式适用边界这是“工作区空、一个缓冲区已满、另一个为空”的课件初态下的稳态平均每块时间。它假设设备可在一个缓冲区输入下一块的 $T$，同时系统对另一个缓冲区完成 $M$ 并让 CPU 处理上一块的 $C$，而同一块的 $M$ 与 $C$ 仍串行。若从全空状态处理 $n\ge1$ 块，并以第 $n$ 块完成 CPU 处理为终点，则在同一简化模型下： $$ T_{double,total}=T+(n-1)\max(T,M+C)+M+C $$ 开头的 $T$ 是首块输入启动，末尾的 $M+C$ 是最后一块传送与处理的排空。若内存复制和设备传输争用同一总线，或 CPU 不能按时服务缓冲区，则上述重叠前提失效，仍须按实际时间线计算。

在教材的双机通信模型中，每端只有一个共用缓冲时只能轮流发送和接收；每端分别配置发送与接收缓冲时，可以同时容纳两个方向的数据。

NOTE · 教材补充：双向通信的前提真正“一边发送、一边接收”还要求物理链路支持全双工，并且发送、接收缓冲各自独立，不能由“应用了双缓冲”这一句话自动推出。对普通输入流水线而言，两个缓冲的直接收益是让“设备填充下一块”与“系统/进程处理上一块”重叠，并不表示数据必然沿两个方向流动。

循环缓冲：多个等大缓冲区首尾相连成循环队列。in 指向第一个可输入的空缓冲区，out 指向第一个可提取的满缓冲区；输入/输出时两指针沿环移动。图中橙色为满、绿色为空。

缓冲池：系统共享的缓冲区集合，不等同于循环缓冲。按状态分为空缓冲队列、满输入缓冲队列、满输出缓冲队列；另有四种工作缓冲：

工作缓冲	作用
`hin`	收容输入数据。
`sin`	提取输入数据。
`hout`	收容输出数据。
`sout`	提取输出数据。

例如从输入队列取一块满输入缓冲作为 sin，提取完后挂回空缓冲队列。

12.3 设备分类、分配安全性与静动态分配

设备属性	含义与例子
独占设备	同一时段只能分给一个进程，如打印机。
共享设备	可被多个进程宏观同时、微观交替使用，如磁盘。
虚拟设备	用 SPOOLing 把独占设备改造成逻辑共享设备，如共享打印机。

设备分配算法可采用 FCFS、优先级优先或短任务优先。设备分配还必须考虑设备类型、访问权限、当前占用状态以及逻辑设备名到物理设备名的映射；设备忙时将请求进程的 PCB 挂到相应等待队列。

分配方式	行为	优缺点
安全分配	进程获得设备并启动一次 I/O 后即阻塞，待本次 I/O 完成再唤醒；一个进程同一时段只能使用一个设备。	破坏“请求和保持”，不会因这种设备分配方式形成设备死锁；但 CPU 计算与 I/O 对该进程只能串行。
不安全分配	设备分配后进程继续运行，可再申请更多设备；仅当新请求不能满足时阻塞。	计算和 I/O 可并行、进程推进快；但可能死锁，需要避免、检测或解除。
静态分配	进程运行前一次分配全部所需资源，结束后归还。	运行前一次取得本次所需全部设备资源，破坏“请求和保持”。
动态分配	运行过程中按需申请设备。	利用率高，但需处理等待与死锁。

NOTE · 教材补充：死锁结论的范围安全分配与静态分配只是在源课件所述的设备分配模型中破坏“请求和保持”，因此不会由纳入该策略的设备资源形成死锁；这不是对系统中其他锁或资源的全局保证。

2023 题总结：设备类型、设备访问权限、设备占用状态、逻辑设备与物理设备的映射关系，均是设备分配必须考虑的因素。

12.4 设备分配的数据结构与过程

资源层次为：一个通道可控制多个控制器，一个控制器可控制多个设备。

表	每个对象一张	图示中的关键信息
DCT（设备控制表）	每个设备	设备类型、物理设备名、忙/闲/故障状态、指向 COCT 的指针、重复执行次数/时间、设备等待队列的队首指针。
COCT（控制器控制表）	每个控制器	控制器标识、状态、指向 CHCT 的指针、控制器等待队列的队首指针和队尾指针。
CHCT（通道控制表）	每个通道	通道标识、状态、所连接控制器表的首址、通道等待队列的队首指针和队尾指针。
SDT（系统设备表）	系统每个设备一项	设备类型、物理设备名、DCT 指针、驱动程序入口。

若进程直接请求物理设备名，分配顺序为：

SDT → DCT → COCT → CHCT

据物理设备名查 SDT。
由 SDT 找 DCT；设备忙则 PCB 入设备等待队列，否则占用设备。
由 DCT 找 COCT；控制器忙则 PCB 入控制器等待队列，否则占用控制器。
由 COCT 找 CHCT；通道忙则 PCB 入通道等待队列，否则占用通道。

只有设备、控制器、通道三者均成功分配，才可启动 I/O 数据传送。

逻辑设备表（LUT）与设备独立性

直接使用物理设备名会暴露硬件细节；设备更换后程序也不能运行；请求的物理设备忙时即使另有同类设备也只能等待。LUT 建立“逻辑设备名 → 物理设备名（及驱动入口）”的映射，使用户按设备类型/逻辑名编程。

首次请求尚未建立映射的逻辑设备名时：在 SDT 中查找同类空闲设备，沿 DCT、COCT、CHCT 检查并分配相关资源；再次以相同逻辑名请求时，可由 LUT 得到既有物理设备和驱动入口，再检查相应控制表。课件把概念关系概括为：

进程 → LUT → SDT → DCT → COCT → CHCT

NOTE · 教材补充：提交时机 LUT 表项应在设备、控制器和通道均分配成功后提交；若中途失败，则应等待或回滚已占用资源，不能留下一个指向未完成分配的映射。

Linux 可把设备当文件处理，用户通过文件名访问物理设备，而非直接使用物理设备名。
更换物理设备后，使用逻辑设备名的应用程序无需修改。
全系统一张 LUT：逻辑设备名不得重复，适合单用户；每用户一张 LUT：不同用户可重名，适合多用户。

12.5 SPOOLing（假脱机）

从脱机技术到假脱机

早期人工操作阶段，主机直接和慢速 I/O 设备交换数据，CPU 大量等待。批处理阶段采用脱机输入/输出：在外围控制机控制下先把慢速设备数据写入较快的磁带，主机再从磁带读入；“脱机”即脱离主机控制进行 I/O。

其核心是使用较快区域（通常磁盘）作为缓存，保存 CPU 与慢速设备之间交换的数据。即使 CPU 或慢速设备忙，也可提前把数据输入/输出到中间介质。

**假脱机（SPOOLing）**以软件模拟脱机技术，由预输入程序、井管理程序和缓输出程序构成，必须有多进程支持（输入进程和输出进程可并发）。它允许多个作业逻辑上共享一台独占设备。

WARNING · 教材补充与纠错：输入、输出方向源课件第 14 页把“输入进程/输出进程”写重，并把两者模拟的脱机方向互换；同页流程图给出的数据流向是正确的。应以数据流为准：输入进程模拟脱机输入，输出进程模拟脱机输出。

组件	作用
输入井	磁盘区域，模拟脱机输入时的磁带，收容输入设备数据。
输出井	磁盘区域，模拟脱机输出时的磁带，收容用户进程输出数据。
输入进程/输入缓冲区	把输入设备数据先暂存于输入缓冲区，再转存输入井。
输出进程/输出缓冲区	从输出井取数据，暂存于输出缓冲区，再送到输出设备。

共享打印机的流程

打印机本是独占设备。多个用户申请打印时，SPOOLing 管理进程不立即分配物理打印机，而是：

在磁盘输出井为该进程申请空闲存储区，写入待打印数据。
建立打印请求表（记录数据位置等），把请求表挂入假脱机文件队列。
打印机空闲时，输出进程从队首取请求表，按表从输出井取数据到输出缓冲区，再送打印机；按队列逐个完成。

结果是每个进程均获得一个输出井存储区，仿佛独占一台逻辑打印机；物理打印机仍按次序一次打印一个作业。

12.6 设备驱动程序接口与图示复核

不同厂商的驱动若接口不统一，OS 就无法用统一方式调用设备。因此 OS 规定驱动接口标准，厂商按此开发。图示层次为：用户层 I/O 软件 → 设备独立性软件 → 标准驱动接口 → 驱动程序 → 中断处理程序 → 硬件。

NOTE · 教材补充：驱动与中断处理驱动负责设备相关控制，并通常注册或配合相应的中断处理程序；实现上二者联系紧密，但概念分层时仍要区分。

缓冲图复核：单缓冲稳态平均时间为 $M+\max(T,C)$，双缓冲稳态平均时间为 $\max(T,C+M)$；循环缓冲用 in/out 分别定位空/满缓冲，缓冲池有空、输入、输出三类队列及四种工作缓冲。
设备表图复核：物理名分配走 SDT、DCT、COCT、CHCT；逻辑名分配在最前增加 LUT。
SPOOLing 图复核：输入路径为“输入设备 → 输入缓冲区 → 输入井”，输出路径为“输出井 → 输出缓冲区 → 输出设备”。

12.7 本节复盘

缓冲解决速度、粒度、并行和中断频率问题；计算题先定义 $T,M,C$ 并确认单/双缓冲的初始状态。
设备分配成功必须同时得到设备、控制器和通道；安全/静态分配通过破坏本设备分配模型中的“请求和保持”来避免设备死锁，不能据此推出系统整体绝无死锁。
LUT 使程序使用逻辑设备名，屏蔽物理设备替换；LUT 的作用域决定逻辑名能否在不同用户间重复。
SPOOLing 用输入井/输出井和输入/输出进程把独占设备虚拟共享，打印请求表与文件队列是共享打印机的核心。