【计算机组成原理】SPOOLing技术
SPOOLing技术
| 关键点 | 内容 |
|---|---|
| 核心思想 | 通过输入/输出井虚拟化独占设备，实现共享，即让多个作业共享一台独占设备 |
| 依赖条件 | 1. 外存（井文件） 2. 多道程序设计 |
| 虚拟实现 | 多道程序技术+磁盘缓冲 |
| 数据流方向 | 输入设备 → 输入井 → CPU → 输出井 → 输出设备 |
| 用户权限 | 仅操作内存缓冲区的数据读写，设备与井的传输由系统OS后台进程管理。 |
| 典型应用 | 打印机共享，批量作业处理，磁带机操作 |
| 不适合应用 | 不适用于交互式I/O（如键盘输入），仅适合批处理作业 |
| 对比缓冲技术 | SPOOLing持久化到磁盘，缓冲仅暂存于内存 |
- 输入/输出井：本质是磁盘缓冲，必须依赖外存（如硬盘）
- 输入/输出进程：本质是后台进程，负责设备与井之间的数据传输（SPOOLing技术/系统控制，用户不感知）。由操作系统内核管理，用户无权直接干预。
- 井管理程序就是用户进程，只负责自己的缓冲区。
- 目标：空间换时间，用户与物理设备解耦，传输对用户透明。
- 请求队列：多个用户作业共享设备时的排队机制（如打印队列）。排队可能调度：FIFO、优先级。
- 外围控制机将 低速IO设备上数据 传到 高速磁盘上：外围控制机是专门管理低速I/O设备（如打印机、卡片阅读器）与高速磁盘（SPOOLing缓冲区）之间数据传输的硬件控制器或专用处理机。它的工作有：
- 数据中转：将低速设备的数据预先传输到磁盘（输入井）或从磁盘（输出井）传回设备。
- 调度管理：协调多台I/O设备的并发操作，避免主机等待。
- 缓冲机制：通过磁盘缓冲实现速度匹配（低速设备vs高速CPU/磁盘）。
- 与缓冲技术的区别：
- 缓冲（Buffer）：仅解决速度差异（如CPU vs 内存），数据不持久。
- SPOOLing：解决设备独占性，数据持久化到磁盘（井文件）。
- 性能影响：
- 优点：提高I/O速度、减少空闲时间、支持多作业并发。
- 缺点：占用额外磁盘空间、增加系统复杂度。
- 与DMA的对比：
| 对比项 | SPOOLing | DMA (Direct Memory Access) |
|---|---|---|
| 控制主体 | 操作系统（软件） | DMA 控制器（硬件） |
| 数据目标 | 磁盘（输入/输出井） | 内存 |
| 速度匹配 | 解决低速设备与 CPU 的矛盾 | 解决高速设备与内存的矛盾 |
| 传输单位 | 文件/作业级 | 数据块级（如磁盘扇区） |
| CPU 干预 | 需要调度和管理进程 | 传输期间完全不需要 CPU 参与 |
| 典型应用 | 打印机共享、批处理作业 | 磁盘、网卡、显卡等高速设备 |
| 依赖条件 | 需要多道程序设计和外存 | 需要 DMA 控制器和总线支持 |
- 与传统IO的对比：
| 特性 | SPOOLing 系统 | 传统 I/O 方式 |
|---|---|---|
| 设备共享性 | 虚拟共享（多作业并发使用） | 独占（单作业独占设备） |
| CPU 利用率 | 高（CPU 不等待 I/O） | 低（CPU 需等待 I/O 完成） |
| 用户控制层级 | 用户仅控制内存缓冲区，设备传输由系统管理 | 用户直接控制设备 |
| 依赖技术 | 多道程序设计 + 外存支持 | 无特殊要求 |
| 数据持久性 | 数据暂存于磁盘（井文件） | 数据不持久 |
| 适用场景 | 打印机、磁带机等独占设备 | 简单交互式 I/O |