缓冲区

本文内容

1 缓冲区及其作用

  缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可以用内存作为缓冲区。
  使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小。一般仅用在对速度要去非常高的场合（如存储器管理中的所用的联想寄存器，由于对页表的访问频率极高，因此使用速度很快的联想寄存器来存放页表的副本）
  一般情况下，更多是利用内存作为缓冲区。

缓冲区的作用

(1) 缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾。
(2) 减少对CPU的中断频率，放宽了CPU对中断响应时间的限制。
(3) 解决了数据粒度不匹配的问题。
(4) 提高CPU与I/O设备之间的并行性。

CPU的速度远远大于I/O设备的速度，如果要输出数据，CPU可以将数据放入缓冲区中，然后CPU就可以去处理其他事情，I/O设备慢慢的从缓冲区中取走数据——缓和了两者之间速度不匹配的矛盾。

如果一个字符型设备每次输入完一个字符就要向CPU发送一个中断信号，这回导致CPU需要花费大量的时间处理中断，如果使用了缓冲区，就可以将输入的数据放入缓冲区，等缓冲区满了之后才向CPU发出中断，请求CPU介入处理——减少对CPU的中断频率。

如果一个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，如果没有使用缓冲策略，输出进程只能一个字符一个字符给I/O设备传送数据，而使用了缓冲区策略的话，输出进程可以把一整块的数据放到换从区中，然后I/O设备从缓冲区中一个字符一个字符的取出数据——解决了数据粒度不匹配的问题。

2 单缓冲

假设某用户请求某种块设备读入若干块的数据。若采用单缓冲的策略。操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区（这里假设一个缓冲区的大小就是一个块的大小）。

缓冲区的特性

当缓冲区数据非空时，不能往换从区冲入数据，只能从缓冲区中把数据取出；
当缓冲区为空时，可以往缓冲区汇总冲入数据，但必须把缓冲区冲满以后才能从缓冲区把数据传出。

计算机每处理一块数据平均所需的时间：假设块设备传送一个块的数据到达缓冲区所需的时间为T，缓冲区将块传送到用户进程工作区所需的时间为M，CPU处理一个块所需的时间为C。

对于计算平均处理时间可以先假定一个初始状态，分析下一个次到达相同的状态需要多少时间，这就是处理一块数据平均所需时间。对于单缓冲区，假定初始状态：工作区满，缓冲区空。

(1) 假设T > C，0时刻，工作区满，CPU开始处理，缓冲区为空，所以可以向缓冲区中冲入数据，当数据处理完后，由于 T > C ,所以缓冲区还没有满，当缓冲区满后，缓冲区将块传送到工作区，此时时刻是T+M，此刻的状态和初始状态一致，后面的只是前面的不断重复.....所以处理一块数据平均需要（T+M）。

(2) 假设T < C，情况相似，这里直接给出过程图，所以处理一块数据平均需要（C+M）。

结论：采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时max(C,T)+M。

3 双缓冲

假设某用户请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓冲的策略。操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区（这里假设一个缓冲区的大小就是一个块的大小）。

假设初始状态：工作区为空，其中缓冲区1满，另一个缓冲区2空。

(1) 假设T > C + M，刚开始可以将一个缓冲区的块传送个工作区，同时向另一个空缓冲区发送一块数据，传送到工作区的块就可以开始处理了。由于T > C + M，即工作区中的块已经处理完了，数据块还没有到达缓冲区，只有到达T时刻，缓冲区才有数据块，此时状态和初始状态一致，工作区空，一个缓冲区满，另一个为空。所以平均处理一个数据块需要时间T。