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1、程序循环检测方式

2、中断驱动方式

3、直接内存访问方式

单片机I/O设备的控制方式主要有三种：程序循环检测、中断驱动和直接内存访问。

1、程序循环检测方式

程序循环检测方式的基本思路是:在程序(一般是设备驱动程序)当中，通过不断地检测I/O设备的当前状态，来控制一个I/O操作的完成。具体来说，在进行I/O操作之前，要循环地去检测该设备是否已经就绪。如果是，就向控制器发出一条命令，启动这一次的I/O操作。然后，在这个操作的进行过程中，也要循环地去检测设备的当前状态，看它是否已经完成。总之，在I/O操作的整个过程中，控制I/O设备的所有工作都是由CPU来完成的。这种方式也称为是繁忙等待方式或轮询方式。它的缺点主要是:在进行一个I/O操作的时候，要一直占用着CPU,这样就会浪费CPU的时间。

下图所示是循环检测方式的一个例子。假设I/O地址采用的是内存映像编址方式，现在需要在打印机上打印一个字符串“ABCDEFGH”。对于操作系统来说，要完成这个任务，其实很简单，只要把这八个字符一个接一个地送到打印机设备的I/O端口地址就可以了。如图(a)所示，这八个字符被保存在系统内核的一个缓冲区当中，并用指针p来指向它们。status_ reg 这个内存单元对应于打印机控制器里面的状态寄存器, data register这个内存单元对应于它的数据寄存器，现在要做的事情，就是把这八个字符一个接一个地放到数据寄存器当中。

图(b) 所示是相应的程序。它的基本思路是:逐个去打印每一个字符。在打印一个字符之前，首先用一个while语句来检测打印机的当前状态，看它是否已经就绪，如果还没有就绪，就在这里循环等待;如果已经就绪，就把当前的字符送入到打印机的数据寄存器当中。在本例中，由于采用了内存映像的编址方式，因此，在程序员眼中，状态寄存器和数据寄存器都被看成是普通的内存单元，对它们的访问也是普通的赋值操作，不需要专门的I/O指令。但是这个赋值操作的功能与普通的赋值操作不同，它相当于是给打印机发出了一个命令，让它去打印一个字符。另外，每次打印完-一个字符后，都要重新判断设备是否就绪，因为相对于CPU来说，打印机是一个慢速设备，它在执行打印命令时，不可能像CPU那么快，而是需要一定的时间来完成。因此，当CPU把一个字符交给它之后，必须循环等待一段时间， 才能去处理下一一个字符。

2、中断驱动方式

循环检测的控制方式，需要占用大量的CPU时间。假设打印机的打印速度为100字符/秒，在循环检测方式下，当一个字符被写入到打印机的数据寄存器后，CPU要等待10ms才能把下一个字符写进去，而这10ms的时间，就在循环等待中被白白浪费掉了。为了解决这个问题，一种办法就是让CPU在这10ms的时间内，先去运行其他的任务，然后等打印机处理完上一个字符后，CPU再接着处理下一个字符。这种方法被称为是中断驱动的控制方式。它的基本思路是:当一个用户任务需要进行I/O操作时，会去调用相应的系统函数，由这个函数来发起I/O操作，并将当前任务阻塞起来，然后调度其他的任务去使用CPU。当所需的I/O操作完成时，相应的设备就会向CPU发出一个中断，系统在中断处理程序当中，如果发现还有数据需要处理，就再次启动I/O 操作。在中断驱动的控制方式下，数据的每一次读写还是通过CPU来完成,只不过当I/O设备在进行数据处理时,CPU不必在那里等待，而是可以去执行其他任务。

仍以打印字符的问题为例。如下图所示，在中断驱动方式下，对于用户程序来说，它所做的事情可能是:把需要打印的字符串放到一个缓冲区buffer中，然后调用一个系统调用函数print。在print 系统调用中，首先把用户缓冲区中的字符串复制到系统内核的字符数组p当中，然后打开中断。接下来是一个循环检测语句，判断打印机的当前状态是否就绪，当打印机就绪后，就把第一个字符放到数据寄存器里面去打印。接下来，未等该字符打印完，就去调用系统的调度器，选择另一个就绪任务去运行，而当前的这个任务，就会被阻塞起来。

当打印机完成一个字符后，将向CPU发出一个中断。在中断处理程序当中，首先判断一下，如果所有的字符都已打印完，那么就去阻塞队列中，把用户任务唤醒，使它处于就绪状态;如果还有字符需要打印，就直接把下一个字符复制到打印机的数据寄存器当中，启动打印操作，而不需要再去循环地判断打印机是否就绪。接下来是一些后继处理，先向中断控制器发出一个确认信号，然后结束中断处理程序，返回到被中断的那个任务。

3、直接内存访问方式

在中断驱动的控制方式下，每一次数据读写还是通过CPU来完成，而且每一次处理的数据量很少，如1个字节，所以中断出现的频率就很高。而中断处理需要额外的系统开销，所以也会浪费一些CPU时间。因此人们又提出了一种新的解决办法，也就是直接内存访问(Direct Memory Access, DMA)的控制方式。它的基本思路是:让DMA控制器来代替CPU,完成I/O设备与内存之间的数据传送，从而空出更多的CPU时间，去运行其他的任务。

仍以打印字符的问题为例。如下图所示，在DMA控制方式下，用户程序所做的事情是完全相同的，即把字符串复制到一个缓冲区buffer 当中，然后调用系统函数print。在print函数当中，首先也是把buffer 当中的字符串复制到系统内核的缓冲区p当中，然后对DMA控制器进行编程，设置它的各个寄存器的内容，包括内存起始地址、需要打印的字符个数、数据传输的方向等。之后，print 函数就完成了任务，所以就调用系统的调度程序，

选择另一个就绪任务去运行，而当前的这个任务就会被阻塞起来。接下来，当CPU正在执行这个新任务的同时，DMA控制器会与设备控制器进行交互，把需要打印的字符，一个接一个地送到打印机控制器当中。在所有的字符都打印完之后，就向CPU发出一个中断，表明这一次的I/O操作已经全部完成了。因此，在中断处理程序里面，已经没有什么实质性的工作，先是向中断控制器发出一个确认信号，然后唤醒刚才被阻塞的任务。

采用DMA控制方式，最大的优点是减少了中断的次数。原本每打印一个字符，都要产生一次中断，而现在当所有的字符都打印完后，才会产生一个中断，这样就减少了中断处理的开销。

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