緩衝管理

適用計算機作業系統（OS）（第四版）
自己的學習筆記，PPT及圖片來源網路及自己老師，侵刪。

1、緩衝的引入

1 ）緩和CPU與I/O裝置間速度不匹配的矛盾。
2 ）減少對CPU的中斷頻率， 放寬對CPU中斷響應時間的限制。
3 ）提高CPU和I/O裝置之間的並行性。
4 ）解決資料粒度不匹配的問題

2、I/O緩衝區設定

• 緩衝區實現
  • 硬緩衝：
    在裝置中(硬體暫存器)設定緩衝區，由硬體實現。
  • 軟緩衝：
    在記憶體中開闢一個空間，用作緩衝區。
• 緩衝區管理
  • 簡單緩衝：單緩衝和雙緩衝
  • 多緩衝：迴圈緩衝和緩衝池

3、單緩衝與雙緩衝區

緩衝區 ：緩衝區非空，不能輸入資料，只有當緩衝區中的資料全部傳送至工作區，才能接受下一次的資料。緩衝區為空時，可以輸入資料，但只有當緩衝區為滿之後，才可以向工作區傳輸資料。

3.1 單緩衝區

平均工作時間 : Max(T,C)+M
初始狀態 ：工作區滿，緩衝區空。

1）T > C
平均時間 T+M

2）T < C
平均時間 C+M

3.2 雙緩衝區

初始狀態 ：工作區為空，一個緩衝區滿，另一個緩衝區為空
平均工作時間 : Max(T,M+C)

1 ）T > M + C
平均時間 ：T

2 ）T < M + C
平均時間 ：M + C

找不到一個和初始狀態相同的時間，但是會發現每經過M+C段時間會完成對一個資料塊的處理

3.3 雙機通訊時緩衝區的設定

單緩衝區 ：只能進行單方面的通訊，即不允許雙方同時向對方傳送資料。

雙緩衝區 ：可以實現同時通訊，一個作為傳送緩衝區，一個作為接受緩衝區。

4 、迴圈緩衝

指標：

• Nextg：指示計算程式下一個可用的滿緩衝

• Nexti：指示輸入程式下一個可用的空緩衝

• Current：指示計算程式正在使用的緩衝區

程式同步 ：

Nexti和Nextg同向移動

• Nexti指標追上Nextg：則輸入速度>計算速度，全部緩衝區已滿。則輸入程式阻塞，等待有空緩衝區出現。此時稱為系統受計算限制。

• Nextg指標追上Nexti：則輸入速度<計算速度，全部緩衝區已空。則計算程式阻塞，等待有滿緩衝區出現。此時稱為系統受I/O限制。

這種迴圈緩衝只適用於特定的I/O程式和計算程式，屬於專用緩衝，系統較大時，會有許多這樣的迴圈緩衝，佔用大量記憶體，利用率低

5、緩衝池

包含了三種佇列 ：

空緩衝佇列
輸入佇列
輸出佇列

四種工作緩衝區：

收容輸入緩衝區(hin)：用於收容裝置輸入的資料。
提取輸入緩衝區(sin)：用於提取裝置輸入的資料。
收容輸出緩衝區(hout)：用於收容CPU輸出的資料。
提取輸出緩衝區(sout)：用於提取CPU輸出的資料。

四種情況 ：
1）輸入程式請求輸入資料

從空緩衝佇列隊頭取下一塊緩衝區，作為收容輸入緩衝區，當其充滿之後，就會掛到輸入佇列隊尾上。

2）計算程式請求一塊輸入資料
從輸入佇列隊頭取下一塊緩衝區，作為提取輸入緩衝區，當其為空之後，就會掛到空緩衝佇列尾上。

3）計算程式請求將準備好的資料衝入緩衝區

從空緩衝佇列隊頭取下一塊緩衝區，作為收容輸出緩衝區，當其充滿之後，就會掛到輸出佇列隊尾上。

4）輸出程式請求輸出資料到使用者程式

從輸出佇列隊頭取下一塊緩衝區，作為提取輸出緩衝區，當其為空之後，就會掛到空緩衝佇列尾上。