輸入輸出控制方式

輸入輸出控制方式


通常，如果外部裝置要與儲存空間進行資料交換，則必須通過CPU執行輸入輸出指令以及儲存空間讀寫指令來完成的。一般而言，CPU管理外圍裝置的輸入輸出控制方式有5種：程式查詢方式、中斷方式、DMA方式（直接記憶體存取）、通道方式、外圍處理機方式，前兩種方式由軟體實現，後三種方式由硬體實現。

 

一，程式實現

1. 程式查詢方式

程式查詢方式是要CPU不斷使用指令檢測方法來擷取外設工作狀態。CPU與外圍裝置的資料交換完全依賴於電腦的程式控制，在進行資訊交換之前，CPU要設定傳輸參數，長度等，然後啟動外設工作；外設則進行資料轉送的準備工作，在外設準備資料時間裡，CPU除了迴圈檢測外設是否已準備好之外，不能處理其他業務，只能一直等待；直到外設完成資料準備工作，CPU才能開始進行資訊交換。造成CPU的運行效率極低。

 

特點：

（1）CPU的操作和外圍裝置的操作能夠完全同步，硬體結構也比較簡單。

（2）造成CPU的運行效率極低。

 

在當前的實際應用中，除了單片機之外，已經很少使用程式查詢方式了。

 

2. 中斷方式

中斷是主機在執行程式過程中，遇到突發事件而中斷正在執行的程式，轉而對突發事件進行處理，待處理完後繼續原程式的執行。

嚴格來說，當一個中斷髮生時，外設發出“插斷要求”，CPU暫停其現行程式，保護程式斷點地址，把中斷處理常式入口地址送入寄存器中進行了中斷響應，轉而執行中斷處理常式，完成資料I/O工作，也就是中斷處理；當中斷處理完畢後，CPU又返回到原來的任務，並從暫停處繼續執行程式。也就是把中斷響應儲存起來的斷點地址重新送回指令指標寄存器，進行了中斷返回操作。

 

特點：

（1）節省了CPU時間，是管理I/O操作的一個比較有效方法。

（2）與程式查詢方式相比，程式中斷方式的硬體結構相對複雜一些，服務成本較大。

 

中斷方式一般適用於隨機出現的服務，並且一旦提出要求，應立即執行。

 

3. DMA方式

DMA方式就是直接儲存空間存取（Direct Memory Access）方式，是一種完全由硬體執行I/O交換的工作方式。

 

特點：

（1）DMA控制器從CPU完全接管對匯流排的控制權，資料交換不經過CPU而直接在主存和外圍裝置之間進行，以便高速傳送資料。

（2）資料傳送速度很高，傳送速率僅受限於主存的訪問時間。

（3）與程式中斷方式相比，這種方式需要更多的硬體，適用於主存和高速外圍裝置之間大批量資料交換的場合。

 

二，硬體實現方式

1. 通道方式（IOP）

通道是一個具有特殊功能的處理器，又稱為輸入輸出處理器（IOP），它分擔了CPU的一部分功能，可以實現對外圍裝置的統一管理，完成外圍裝置與主存之間的資料傳送。

 

特點：

（1）DMA方式的出現減輕了CPU對I/O操作的控制，使得CPU的效率顯著提高，而通道的出現則進一步提高了CPU的效率。

（2）這種效率的提高是以增加更多的硬體為代價的。

 

2. 外圍處理機方式（PPU）

外圍處理機（PeripheralProcessor Unit，PPU）方式是通道方式的進一步發展。基本上獨立於主機工作，它的結構更接近於一般的處理機，甚至就是微小型電腦。在一些系統中，設定了多台PPU，分別承擔I/O控制、通訊、維護診斷等任務，從某種意義上說，這種系統已經變成了分布式多機系統。

 

特點：

（1）外圍處理機基本上獨立於主機，使得電腦系統結構有了質的飛躍，由功能集中式發展為功能分散的分布式系統。

（2）能分析處理較複雜的工作。

 

綜上所述，程式查詢方式和程式中斷方式適用於資料轉送率比較低的外圍裝置，而DMA方式、通道方式和外圍處理機方式則適用於資料轉送率比較高的外圍裝置。