缓冲技术介绍

 

1.缓冲的引入

缓冲技术可提高外设利用率，尽可能使外设处于忙状态；但有一个限制：进程的I/O请求不能超过外设的处理能力。

在操作系统中，引入缓冲的主要原因，可归结为以下几点：

1) 改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾

例如一个程序，它时而进行长时间的计算而没有输出，时而又阵发性把输出送到打印机。由于打印机的速度跟不上CPU，而使得CPU长时间的等待。如果设置了缓冲区，程序输出的数据先送到缓冲区暂存，然后由打印机慢慢地输出。这时，CPU不必等待，可以继续执行程序。实现了CPU与I/O设备之间的并行工作。事实上，凡在数据的到达速率与其离去速率不同的地方，都可设置缓冲，以缓和它们之间速度不匹配的矛盾。众所周知，通常的程序都是时而计算，时而输出的。

    2) 可以减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制

如果I/O操作每传送一个字节就要产生一次中断，那么设置了n个字节的缓冲区后，则可以等到缓冲区满才产生中断，这样中断次数就减少到1/n，而且中断响应的时间也可以相应的放宽。

    3) 提高 CPU和 I／O设备之间的并行性

缓冲的引入可显著提高 CPU和设备的并行操作程度，提高系统的吞吐量和设备的利用率。

2.缓冲的实现方法:

 根据I/O控制方式，缓冲的实现方法有两种:

一种是采用专用硬件缓冲器

一种是在内存划出一个具有n个单元的专用缓冲区，以便存放输入/输出的数据。内存缓冲区又称软件缓冲。

3.缓冲的种类

 根据系统设置的缓冲器的个数，可把缓冲技术分为：

 1) 单缓冲:在设备和处理机之间设置一个缓冲器。设备相处理机交换数据时，先把被交换数据写入缓冲器，然后，需要数据的设备或处理机从缓冲器取定数据。由于缓冲器属于临界资源，即不允许多个进程同时对一个缓冲器操作，因此，尽管单缓冲能匹配设备相处理机的处理速度，但是，设备和设备之间不能通过单缓冲达到并行操作。 

2) 双缓冲：解决两台外设、打印机和终端之间的并行操作问题的办法是设置双缓冲。有了两个缓冲器之后，CPU可把输出到打印机的数据放入其中一个缓冲器(区)、让打印机慢慢打印；然后，它又可以从另一个为终端设置的缓冲器(区)中读取所需要的输入数据。

3) 多缓冲：是把多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门用于输入，另一部分专门用于输出的缓冲结构。

4) 缓冲池：把多个缓冲区连接起来统一管理，既可用于输入又可用于输出的缓冲结构。