输入输出控制

一般而言，CPU管理外围设备的输入输出控制方式有5种：程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式、外围处理机方式，前两种方式由软件实现，后三种方式由硬件实现。

1. 程序查询方式

程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式，CPU与外围设备的数据交换完全依赖于计算机的程序控制。

在进行信息交换之前，CPU要设置传输参数、传输长度等，然后启动外设工作，与此同时，外设则进行数据传输的准备工作；相对于CPU来说，外设的速度是比较低的，因此外设准备数据的时间往往是一个漫长的过程，而在这段时间里，CPU除了循环检测外设是否已准备好之外，不能处理其他业务，只能一直等待；直到外设完成数据准备工作，CPU才能开始进行信息交换。

这种方式的优点是CPU的操作和外围设备的操作能够完全同步，硬件结构也比较简单。但是，外围设备的动作通常很慢，程序进行循环查询白白浪费了宝贵的CPU时间，数据传输效率低下。在当前的实际应用中，除了单片机之外，已经很少使用程序查询方式了。

2. 程序中断方式

中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备发送或接收数据的一种方式。

通常，当一个中断发生时，CPU暂停其现行程序，转而执行中断处理程序，完成数据I/O工作；当中断处理完毕后，CPU又返回到原来的任务，并从暂停处继续执行程序。

这种方式节省了CPU时间，是管理I/O操作的一个比较有效的方法。中断方式一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即执行。与程序查询方式相比，程序中断方式的硬件结构相对复杂一些，服务成本较大。

3. DMA方式

DMA方式就是直接存储器存取（Direct Memory Access）方式，是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。

在该方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制权，数据交换不经过CPU而直接在主存和外围设备之间进行，以便高速传送数据。

这种方式的主要优点是数据传送速度很高，传送速率仅受限于主存的访问时间。与程序中断方式相比，这种方式需要更多的硬件，适用于主存和高速外围设备之间大批量数据交换的场合。

4. 通道方式

DMA方式的出现减轻了CPU对I/O操作的控制，使得CPU的效率显著提高，而通道的出现则进一步提高了CPU的效率。

通道是一个具有特殊功能的处理器，又称为输入输出处理器（IOP），它分担了CPU的一部分功能，可以实现对外围设备的统一管理，完成外围设备与主存之间的数据传送。

通道方式大大提高了CPU的工作效率，然而这种效率的提高是以增加更多的硬件为代价的。

5. 外围处理机方式

外围处理机（Peripheral Processor Unit，PPU）方式是通道方式的进一步发展。

PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近于一般的处理机，甚至就是微小型计算机。在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务，从某种意义上说，这种系统已经变成了分布式多机系统。

综上所述，计算机外围设备的输入/输出方式如图7-1表示。其中，程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外围设备，而DMA方式、通道方式和外围处理机方式则适用于数据传输率比较高的外围设备。