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1、程序循環檢測方式

2、中斷驅動方式

3、直接內存訪問方式

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單片機I/O設備的控制方式主要有三種：程序循環檢測、中斷驅動和直接內存訪問。

1、程序循環檢測方式

程序循環檢測方式的基本思路是:在程序(一般是設備驅動程序)當中，通過不斷地檢測I/O設備的當前狀態，來控制一個I/O操作的完成。具體來說，在進行I/O操作之前，要循環地去檢測該設備是否已經就緒。如果是，就向控制器發出一條命令，啟動這一次的I/O操作。然后，在這個操作的進行過程中，也要循環地去檢測設備的當前狀態，看它是否已經完成?？傊?#xff0c;在I/O操作的整個過程中，控制I/O設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。它的缺點主要是:在進行一個I/O操作的時候，要一直占用著CPU,這樣就會浪費CPU的時間。

下圖所示是循環檢測方式的一個例子。假設I/O地址采用的是內存映像編址方式，現在需要在打印機上打印一個字符串“ABCDEFGH”。對于操作系統來說，要完成這個任務，其實很簡單，只要把這八個字符一個接一個地送到打印機設備的I/O端口地址就可以了。如圖(a)所示，這八個字符被保存在系統內核的一個緩沖區當中，并用指針p來指向它們。status_ reg 這個內存單元對應于打印機控制器里面的狀態寄存器, data register這個內存單元對應于它的數據寄存器，現在要做的事情，就是把這八個字符一個接一個地放到數據寄存器當中。

圖(b) 所示是相應的程序。它的基本思路是:逐個去打印每一個字符。在打印一個字符之前，首先用一個while語句來檢測打印機的當前狀態，看它是否已經就緒，如果還沒有就緒，就在這里循環等待;如果已經就緒，就把當前的字符送入到打印機的數據寄存器當中。在本例中，由于采用了內存映像的編址方式，因此，在程序員眼中，狀態寄存器和數據寄存器都被看成是普通的內存單元，對它們的訪問也是普通的賦值操作，不需要專門的I/O指令。但是這個賦值操作的功能與普通的賦值操作不同，它相當于是給打印機發出了一個命令，讓它去打印一個字符。另外，每次打印完-一個字符后，都要重新判斷設備是否就緒，因為相對于CPU來說，打印機是一個慢速設備，它在執行打印命令時，不可能像CPU那么快，而是需要一定的時間來完成。因此，當CPU把一個字符交給它之后，必須循環等待一段時間， 才能去處理下一一個字符。

2、中斷驅動方式

循環檢測的控制方式，需要占用大量的CPU時間。假設打印機的打印速度為100字符/秒，在循環檢測方式下，當一個字符被寫入到打印機的數據寄存器后，CPU要等待10ms才能把下一個字符寫進去，而這10ms的時間，就在循環等待中被白白浪費掉了。為了解決這個問題，一種辦法就是讓CPU在這10ms的時間內，先去運行其他的任務，然后等打印機處理完上一個字符后，CPU再接著處理下一個字符。這種方法被稱為是中斷驅動的控制方式。它的基本思路是:當一個用戶任務需要進行I/O操作時，會去調用相應的系統函數，由這個函數來發起I/O操作，并將當前任務阻塞起來，然后調度其他的任務去使用CPU。當所需的I/O操作完成時，相應的設備就會向CPU發出一個中斷，系統在中斷處理程序當中，如果發現還有數據需要處理，就再次啟動I/O 操作。在中斷驅動的控制方式下，數據的每一次讀寫還是通過CPU來完成,只不過當I/O設備在進行數據處理時,CPU不必在那里等待，而是可以去執行其他任務。

仍以打印字符的問題為例。如下圖所示，在中斷驅動方式下，對于用戶程序來說，它所做的事情可能是:把需要打印的字符串放到一個緩沖區buffer中，然后調用一個系統調用函數print。在print 系統調用中，首先把用戶緩沖區中的字符串復制到系統內核的字符數組p當中，然后打開中斷。接下來是一個循環檢測語句，判斷打印機的當前狀態是否就緒，當打印機就緒后，就把第一個字符放到數據寄存器里面去打印。接下來，未等該字符打印完，就去調用系統的調度器，選擇另一個就緒任務去運行，而當前的這個任務，就會被阻塞起來。

當打印機完成一個字符后，將向CPU發出一個中斷。在中斷處理程序當中，首先判斷一下，如果所有的字符都已打印完，那么就去阻塞隊列中，把用戶任務喚醒，使它處于就緒狀態;如果還有字符需要打印，就直接把下一個字符復制到打印機的數據寄存器當中，啟動打印操作，而不需要再去循環地判斷打印機是否就緒。接下來是一些后繼處理，先向中斷控制器發出一個確認信號，然后結束中斷處理程序，返回到被中斷的那個任務。

3、直接內存訪問方式

在中斷驅動的控制方式下，每一次數據讀寫還是通過CPU來完成，而且每一次處理的數據量很少，如1個字節，所以中斷出現的頻率就很高。而中斷處理需要額外的系統開銷，所以也會浪費一些CPU時間。因此人們又提出了一種新的解決辦法，也就是直接內存訪問(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設備與內存之間的數據傳送，從而空出更多的CPU時間，去運行其他的任務。

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，即把字符串復制到一個緩沖區buffer 當中，然后調用系統函數print。在print函數當中，首先也是把buffer 當中的字符串復制到系統內核的緩沖區p當中，然后對DMA控制器進行編程，設置它的各個寄存器的內容，包括內存起始地址、需要打印的字符個數、數據傳輸的方向等。之后，print 函數就完成了任務，所以就調用系統的調度程序，

選擇另一個就緒任務去運行，而當前的這個任務就會被阻塞起來。接下來，當CPU正在執行這個新任務的同時，DMA控制器會與設備控制器進行交互，把需要打印的字符，一個接一個地送到打印機控制器當中。在所有的字符都打印完之后，就向CPU發出一個中斷，表明這一次的I/O操作已經全部完成了。因此，在中斷處理程序里面，已經沒有什么實質性的工作，先是向中斷控制器發出一個確認信號，然后喚醒剛才被阻塞的任務。

采用DMA控制方式，最大的優點是減少了中斷的次數。原本每打印一個字符，都要產生一次中斷，而現在當所有的字符都打印完后，才會產生一個中斷，這樣就減少了中斷處理的開銷。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的单片机I/O控制方式（UART中断和DMA中断的区别）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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