（二）设备独立软件

1. 缓冲区管理

1.1. 引入

功能
- 缓和 CPU 和 IO 设备速度不匹配的矛盾；
- 减少 CPU 中断触发的频率，放宽对 CPU 中断响应时间的要求；
- 解决 CPU 和 IO 设备数据粒度和数据结构不匹配的问题；
- 提高 CPU 和 IO 设备的并行性；

1.2. 单/双缓冲区

单缓冲区
- 进程发出 IO 请求时，OS 便在内存中划分一个缓冲区；
- 设备花费 $T_{i}$ 时间输入数据后，必须花费 $M_{i}$ 的时间等待数据传送到进程；
- 处理一块数据的总时间： $max {T, C} + M$ ；
双缓冲区
- 进程发出 IO 请求时，OS 便内存中划分两个缓冲区；
- 考虑到进程处理时间 $C$ 通常小于 $M$ 和 $T$ ，可实现 IO 设备无等待持续放入；
- 处理一块数据的总时间： $max {T, C}$ ；
- 双缓冲区用于机器之间的通信：在两个机器上都设置发送和接收缓冲区，实现数据并行双向传输，提高通信效率；

1.3. 环形缓冲区

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包含多个大小相同的缓冲区，每个缓冲区可分为三种：
- 待装入数据的空缓冲区 R；
- 已装入数据的满缓冲区 G；
- 进程正在使用的缓冲区 C；
环形缓冲区的使用：
- Get；
- Release；

1.4. 缓冲池

管理多个缓冲区，每个缓冲区有用于标识和管理的缓冲头和存放数据的缓冲体；
- 缓冲头：一般包含缓冲区编号，设备号，数据块，信号量，链接指针等；
缓冲池将相同类型的缓冲区链接成队列，一般有三种（了解）
- 空白缓冲区队列 emq；
- 输入缓冲区队列 inq；
- 输出缓冲区队列 outq；

2. 设备分配与回收

2.1. 数据结构

设备控制表 DCT：记录设备的情况，如图；
控制器控制表 COCT；
通道控制表 CHCT；
系统设备表 SDT：记录了 OS 中全部设备的情况，每个设备占一项，包括设备类型，标识符，DCT 和驱动程序入口等；
后三种表图示

2.2. 基本设备分配程序

设备分配过程
- 进程提出 IO 请求；
- 查表 SDT，检查是否有对应设备，并获取其 DCT，驱动程序入口等；
- 根据 DCT，获取其控制器 DOCT 和通道 CHCT，分配对应内存来存放；
- 顺序：设备 $\to$ 控制器 $\to$ 通道；

3. 逻辑设备名到物理设备名

3.1. 逻辑设备表 LUT（Logic Uint Table）

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用于将逻辑设备名映射到物理设备名；
也包含对应设备驱动程序入口地址

3.2. LUT 的设置方式

1）OS 全局共享一张 LUT；
2）为每个用户配置单独的 LUT（现代 OS 采用）；

4. 假脱机技术（Spooling）

脱机 IO 技术：指通过专门的外围设备，将低速 IO 设备的数据先输入到磁盘上，再由 CPU 处理。CPU 处理完毕时，也先将数据放至磁盘，再由外围设备传给低速 IO 设备；
假脱机技术：对脱机 IO 技术的模拟，以通道技术和多道程序技术为软件基础，以磁盘（高速随机外存储）为硬件基础。实现外围设备与 CPU 并行计算；
主要由四部分组成
- IO 井：主要是磁盘；
- IO 缓冲：主要是内存；
- IO 进程；
- 井管理程序；
特点
- 提高了 IO 的速度（逻辑意义上的）；
- 实现了虚拟设备技术，将物理上独占的设备变为逻辑上可共享的；
例：假脱机打印机系统
- 通过 Spooling 技术，将物理上独占的打印机变为可让多用户共享的逻辑设备；
- 共享打印机系统广泛用于多用户系统和局域网中；
- 主要由三部分组成
  - 磁盘缓冲区；
  - 打印缓冲区；
  - 假脱机管理进程和假脱机打印进程；

5. 设备驱动程序接口

是 OS 内核和硬件之间的接口，由一组函数和一些私有数据组成；
是应用程序和硬件设备间的桥梁；