7．2．4 I/O 接口的输入/输出控制方法
在微机系统中，I/O 接口可采用的输入/输出控制方式一般有4种：查询控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式（DMA 方式）和输入/输出协处理器方式。
1．查询控制方式
查询控制方式分为无条件传送方式和条件传送方式。
（1）无条件传送方式：这种方式是查询控制方式的特例，在此种条件下不需要查询，或假设查询已经完成。当I/O 设备已准备就绪，而且不必查询它的状态就可以进行信息传输，这种情况就称为无条件传送。这种信息传送方式只适用于简单的I/O 设备，如开关和数码段显示器等。
（2）条件传送方式：CPU 主动查询，也称程序查询或轮询（Polling）方式。CPU 通过执行程序不断读取并测试I/O 设备状态，如果输入外部设备处于已准备好状态或输出外部设备为空闲状态时，则CPU 执行数据读/写指令。由于条件传送方式是CPU 通过程序在不断查询I/O 设备的当前状态后才进行信息传送，所以也称为“查询式传送”。条件传送方式的接口电路一般包括传送数据端口及传送状态端口。当输入信息时，CPU 查询到I/O 设备准备好后，则将接口的“准备好”标志位置1。当输出信息时，I/O 设备取走一个数据后，CPU 将传送状态端口标志置为“空闲”状态，数据端口可以接收下一个数据。
在该方式下，使用7．1节中的sys_write函数进行字符串打印的系统调用服务例程大致过程如下：
在上述程序段中，对于每个需要打印的字符，都需要先查看打印机是否“就绪”，如果“就绪”就输出一个字符，否则就一直等待。接着下一个字符继续查看打印机传送字符是否完成，即状态为“就绪”，才能继续输出。循环直到所有字符打印结束。该方式控制简单，但是主机和外设是串行工作，由于外设速度比CPU 慢很多，所以主机的效率不能充分发挥。
2．中断控制方式
中断控制方式是一种高效的、适用于频繁而随机发生的小数据量的输入/输出请求的控制方法。在中断控制方式中，主机启动外设后不需要等待查询，而是继续执行程序。当外设工作完成后便向CPU 发中断请求。CPU 接到中断请求后在响应条件满足时可以响应，并由CPU 执行中断服务程序以完成外设和主机的一次信息传送，完成传送后主机又继续执行主程序。
该方式下，7．1节中的sys_write进行字符串打印的系统调用服务例程大致过程如下：
我们可以看到在上述程序段中，首先打开中断，当打印机状态就绪后，CPU 启动外设进行第一个字符的传送，并发送“启动打印”命令，然后阻塞当前进程。从而CPU 去执行其他进程，这个时候外设在对应设备控制器的控制下进行数据的I/O 操作。此时，CPU 与外设是并行工作的。当I/O 操作完成后就会向CPU 发出中断请求信号，CPU 就会中断当前进程，并调出对应的中断服务程序进行下一次数据的传送，然后返回到被打断的进程继续执行。
这种方式可以使CPU 与外设并行工作，CPU 的效率相比查询控制方式效率大大提高。但程序中断方式使CPU 增加了额外开销时间，适合工作速度不太高的外设与主机的信息传送。
3．DMA 控制方式
DMA 控制方式是一种通过DMA 控制器大量、直接传送数据的方式。当某一I/O 设备需要输入/输出一批数据时，它首先向DMA 控制器发出请求，DMA 控制器接收到这一请求后，向CPU 发出总线请求；此时若CPU 响应DMA 的请求，就把总线使用权赋给DMA 控制器，则数据可以不通过CPU，直接在DMA 控制器操纵下进行。当这批数据传送完毕后，DMA 控制器就使得总线请求信号变得无效，CPU 检测到这一信号，即可收回总线使用权。在该方式下，7．1节中的sys_write进行字符串打印的系统服务例程大致过程如下：
我们可以看到在上述程序段中，CPU 首先进行DMA 控制器的初始化工作后，接着发送“启动DMA 传送”命令，就阻塞当前进程，转而去执行其他进程了。这个时候DMA 控制器就可以进行所有数据的传送工作。当DMA 完成所有数据的传送后就会向CPU 发送“DMA 完成”的中断请求信号，CPU 检测到该信号后，就会中断当前执行的进程，并调出相应的中断服务程序执行。该中断服务程序中主要完成解除进程的阻塞状态进行就绪队列，然后返回被打断的进程继续执行。
因此，采用DMA 控制方式，除了数据块开始传送和结束传送时需要进行适当处理外，在数据块传送过程中无须CPU 干预，每传送一个数据中只需要占用一个主存周期，这样CPU 用于I/O 的开销就非常小。
【例7.1】 某计算机的CPU 主频为500 MHz，CPI为5（即执行每条指令平均需5个时钟周期）。假定某外设的数据传输率为0．5 MB/s，采用中断方式与主机进行数据传送，以32位为传输单位，对应的中断服务程序包含18条指令，中断服务的其他开销相当于2条指令的执行时间。请回答下列问题，要求给出计算过程。
①在中断方式下，CPU 用于该外设I/O 的时间占整个CPU 时间的百分比是多少？
②当该外设的数据传输率达到5 MB/s时，改用DMA 方式传送数据。假定每次DMA传送块大小为5000B，且DMA 预处理和后处理的总开销为500个时钟周期，则CPU 用于该外设I/O 的时间占整个CPU 时间的百分比是多少？
解：中断传送：
在中断方式下，CPU 每次用于数据传送的时钟周期为：
5×(18＋2)＝100
为达到外设0．5 MB/s的数据传输率，外设每秒申请的中断次数为：
0．5 MB/4B＝125 000
1秒内用于中断的开销：
100×125 000＝12 500 000＝12．5 M 个时钟周期
CPU 用于外设I/O 的时间占整个CPU 时间的百分比：
12．5 M/500 MB＝2．5%
DMA 传送：
在DMA 方式下，CPU 每次用于数据传送的时钟周期为500。
为达到外设5 MB/s的数据传输率，外设每秒申请的进行DMA 传送次数为：
5 MB/5000 B＝1000
1秒内用于DMA 的开销：
1000×500＝500 000＝0．5 M 个时钟周期
CPU 用于外设I/O 的时间占整个CPU 时间的百分比：
0．5 M/500 MB＝0．1%
4．输入/输出协处理器方式
对于有大量输入/输出任务的微机系统，DMA 控制方式已经不能满足输入/输出的需求。为了满足输入/输出的需要，Intel公司生产了与x86系列芯片配套的输入/输出协处理器（IOP）8089。系统中配置了IOP后，x86系列CPU 必须工作在最大模式。当CPU 需要进行I/O 操作时，只要在存储器中建立一个规定格式的信息块，设置好需要执行的操作和有关参数，然后把这些参数送入IOP，IOP即会执行输入/输出操作。如果在数据传送过程中出现错误，IOP就会进行重复传送或做必要的处理。整个数据块的传送过程由IOP 控制，在同时CPU 可去完成其他作业。