【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

1. 输入/输出井：本质是磁盘缓冲，必须依赖外存（如硬盘）
2. 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。
3. 井管理程序就是用户进程，只负责自己的缓冲区。
4. 目标：空间换时间，用户与物理设备解耦，传输对用户透明。
5. 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。
6. 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）。

7. 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）。

7. 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。

8. 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

9. 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