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單片機(jī)I/O設(shè)備的控制方式主要有三種：程序循環(huán)檢測(cè)、中斷驅(qū)動(dòng)和直接內(nèi)存訪問。

1、程序循環(huán)檢測(cè)方式

程序循環(huán)檢測(cè)方式的基本思路是:在程序(一般是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序)當(dāng)中，通過不斷地檢測(cè)I/O設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，來控制一個(gè)I/O操作的完成。具體來說，在進(jìn)行I/O操作之前，要循環(huán)地去檢測(cè)該設(shè)備是否已經(jīng)就緒。如果是，就向控制器發(fā)出一條命令，啟動(dòng)這一次的I/O操作。然后，在這個(gè)操作的進(jìn)行過程中，也要循環(huán)地去檢測(cè)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，看它是否已經(jīng)完成。總之，在I/O操作的整個(gè)過程中，控制I/O設(shè)備的所有工作都是由CPU來完成的。這種方式也稱為是繁忙等待方式或輪詢方式。它的缺點(diǎn)主要是:在進(jìn)行一個(gè)I/O操作的時(shí)候，要一直占用著CPU,這樣就會(huì)浪費(fèi)CPU的時(shí)間。

假設(shè)I/O地址采用的是內(nèi)存映像編址方式，現(xiàn)在需要在打印機(jī)上打印一個(gè)字符串“ABCDEFGH”。對(duì)于操作系統(tǒng)來說，要完成這個(gè)任務(wù)，其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要把這八個(gè)字符一個(gè)接一個(gè)地送到打印機(jī)設(shè)備的I/O端口地址就可以了。如圖(a)所示，這八個(gè)字符被保存在系統(tǒng)內(nèi)核的一個(gè)緩沖區(qū)當(dāng)中，并用指針p來指向它們。status_ reg 這個(gè)內(nèi)存單元對(duì)應(yīng)于打印機(jī)控制器里面的狀態(tài)寄存器, data register這個(gè)內(nèi)存單元對(duì)應(yīng)于它的數(shù)據(jù)寄存器，現(xiàn)在要做的事情，就是把這八個(gè)字符一個(gè)接一個(gè)地放到數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中。

它的基本思路是:逐個(gè)去打印每一個(gè)字符。在打印一個(gè)字符之前，首先用一個(gè)while語句來檢測(cè)打印機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，看它是否已經(jīng)就緒，如果還沒有就緒，就在這里循環(huán)等待;如果已經(jīng)就緒，就把當(dāng)前的字符送入到打印機(jī)的數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中。在本例中，由于采用了內(nèi)存映像的編址方式，因此，在程序員眼中，狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器都被看成是普通的內(nèi)存單元，對(duì)它們的訪問也是普通的賦值操作，不需要專門的I/O指令。但是這個(gè)賦值操作的功能與普通的賦值操作不同，它相當(dāng)于是給打印機(jī)發(fā)出了一個(gè)命令，讓它去打印一個(gè)字符。另外，每次打印完-一個(gè)字符后，都要重新判斷設(shè)備是否就緒，因?yàn)橄鄬?duì)于CPU來說，打印機(jī)是一個(gè)慢速設(shè)備，它在執(zhí)行打印命令時(shí)，不可能像CPU那么快，而是需要一定的時(shí)間來完成。因此，當(dāng)CPU把一個(gè)字符交給它之后，必須循環(huán)等待一段時(shí)間， 才能去處理下一一個(gè)字符。

2、中斷驅(qū)動(dòng)方式

循環(huán)檢測(cè)的控制方式，需要占用大量的CPU時(shí)間。假設(shè)打印機(jī)的打印速度為100字符/秒，在循環(huán)檢測(cè)方式下，當(dāng)一個(gè)字符被寫入到打印機(jī)的數(shù)據(jù)寄存器后，CPU要等待10ms才能把下一個(gè)字符寫進(jìn)去，而這10ms的時(shí)間，就在循環(huán)等待中被白白浪費(fèi)掉了。為了解決這個(gè)問題，一種辦法就是讓CPU在這10ms的時(shí)間內(nèi)，先去運(yùn)行其他的任務(wù)，然后等打印機(jī)處理完上一個(gè)字符后，CPU再接著處理下一個(gè)字符。這種方法被稱為是中斷驅(qū)動(dòng)的控制方式。它的基本思路是:當(dāng)一個(gè)用戶任務(wù)需要進(jìn)行I/O操作時(shí)，會(huì)去調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)，由這個(gè)函數(shù)來發(fā)起I/O操作，并將當(dāng)前任務(wù)阻塞起來，然后調(diào)度其他的任務(wù)去使用CPU。當(dāng)所需的I/O操作完成時(shí)，相應(yīng)的設(shè)備就會(huì)向CPU發(fā)出一個(gè)中斷，系統(tǒng)在中斷處理程序當(dāng)中，如果發(fā)現(xiàn)還有數(shù)據(jù)需要處理，就再次啟動(dòng)I/O 操作。在中斷驅(qū)動(dòng)的控制方式下，數(shù)據(jù)的每一次讀寫還是通過CPU來完成,只不過當(dāng)I/O設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),CPU不必在那里等待，而是可以去執(zhí)行其他任務(wù)。

仍以打印字符的問題為例。如下圖所示，在中斷驅(qū)動(dòng)方式下，對(duì)于用戶程序來說，它所做的事情可能是:把需要打印的字符串放到一個(gè)緩沖區(qū)buffer中，然后調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)print。在print 系統(tǒng)調(diào)用中，首先把用戶緩沖區(qū)中的字符串復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)核的字符數(shù)組p當(dāng)中，然后打開中斷。接下來是一個(gè)循環(huán)檢測(cè)語句，判斷打印機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)是否就緒，當(dāng)打印機(jī)就緒后，就把第一個(gè)字符放到數(shù)據(jù)寄存器里面去打印。接下來，未等該字符打印完，就去調(diào)用系統(tǒng)的調(diào)度器，選擇另一個(gè)就緒任務(wù)去運(yùn)行，而當(dāng)前的這個(gè)任務(wù)，就會(huì)被阻塞起來。

當(dāng)打印機(jī)完成一個(gè)字符后，將向CPU發(fā)出一個(gè)中斷。在中斷處理程序當(dāng)中，首先判斷一下，如果所有的字符都已打印完，那么就去阻塞隊(duì)列中，把用戶任務(wù)喚醒，使它處于就緒狀態(tài);如果還有字符需要打印，就直接把下一個(gè)字符復(fù)制到打印機(jī)的數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中，啟動(dòng)打印操作，而不需要再去循環(huán)地判斷打印機(jī)是否就緒。接下來是一些后繼處理，先向中斷控制器發(fā)出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，然后結(jié)束中斷處理程序，返回到被中斷的那個(gè)任務(wù)。

3、直接內(nèi)存訪問方式

在中斷驅(qū)動(dòng)的控制方式下，每一次數(shù)據(jù)讀寫還是通過CPU來完成，而且每一次處理的數(shù)據(jù)量很少，如1個(gè)字節(jié)，所以中斷出現(xiàn)的頻率就很高。而中斷處理需要額外的系統(tǒng)開銷，所以也會(huì)浪費(fèi)一些CPU時(shí)間。因此人們又提出了一種新的解決辦法，也就是直接內(nèi)存訪問(Direct Memory Access, DMA)的控制方式。它的基本思路是:讓DMA控制器來代替CPU,完成I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，從而空出更多的CPU時(shí)間，去運(yùn)行其他的任務(wù)。

仍以打印字符的問題為例。如下圖所示，在DMA控制方式下，用戶程序所做的事情是完全相同的，即把字符串復(fù)制到一個(gè)緩沖區(qū)buffer 當(dāng)中，然后調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)print。在print函數(shù)當(dāng)中，首先也是把buffer 當(dāng)中的字符串復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)p當(dāng)中，然后對(duì)DMA控制器進(jìn)行編程，設(shè)置它的各個(gè)寄存器的內(nèi)容，包括內(nèi)存起始地址、需要打印的字符個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虻取Ｖ螅琾rint 函數(shù)就完成了任務(wù)，所以就調(diào)用系統(tǒng)的調(diào)度程序，

選擇另一個(gè)就緒任務(wù)去運(yùn)行，而當(dāng)前的這個(gè)任務(wù)就會(huì)被阻塞起來。接下來，當(dāng)CPU正在執(zhí)行這個(gè)新任務(wù)的同時(shí)，DMA控制器會(huì)與設(shè)備控制器進(jìn)行交互，把需要打印的字符，一個(gè)接一個(gè)地送到打印機(jī)控制器當(dāng)中。在所有的字符都打印完之后，就向CPU發(fā)出一個(gè)中斷，表明這一次的I/O操作已經(jīng)全部完成了。因此，在中斷處理程序里面，已經(jīng)沒有什么實(shí)質(zhì)性的工作，先是向中斷控制器發(fā)出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，然后喚醒剛才被阻塞的任務(wù)。

采用DMA控制方式，較大的優(yōu)點(diǎn)是減少了中斷的次數(shù)。原本每打印一個(gè)字符，都要產(chǎn)生一次中斷，而現(xiàn)在當(dāng)所有的字符都打印完后，才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，這樣就減少了中斷處理的開銷。

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