7.2 程序查询方式与程序中断方式

程序查询方式的流程与特点；中断的基本概念，中断请求标记与中断判优，中断响应的条件与中断隐指令，中断向量；单重中断与多重中断的处理过程，中断屏蔽字与处理优先级；CPU 时间占用率的计算。

程序查询方式

程序查询方式的信息交换完全由 CPU 执行程序实现：CPU 不断读取 I/O 接口中的状态寄存器，查询设备是否已做好准备，就绪后才传送数据。

• 特点：接口设计简单、设备量少；但 CPU 在查询过程中要反复读状态、等待设备（称为「踏步」或忙等），CPU 与外设串行工作，而且一段时间内只能和一台外设交换信息，效率很低。
• 独占查询：CPU 一直在查询，100% 的时间都花在这台设备上；定时查询：在保证数据不丢失的前提下，每隔一段时间查询一次，间隔内 CPU 可以执行其他程序。

程序中断方式

中断的基本概念

程序中断是指在计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的异常情况或特殊请求，CPU 暂时中止现行程序，转去对这些情况或请求进行处理，处理完毕后再自动返回到现行程序的断点处继续执行。

中断方式的意义在于：外设在准备数据时，CPU 可以执行其他程序，实现了 CPU 与外设的并行工作；此外还能处理硬件故障和软件错误、实现人机交互、实现多道程序和分时操作、实时处理，以及在用户程序与操作系统之间切换（软中断）。

中断请求标记与中断判优

• 中断请求标记：每个中断源发出请求的时间是随机的。中断系统为每个中断源设置一个中断请求标记触发器，为 1 表示该中断源有请求，这些触发器组成中断请求标记寄存器。
• 中断判优：多个中断源同时提出请求时，按中断响应优先级选择一个响应。判优可以用硬件实现（硬件排队器），也可以用软件实现（查询程序的查询顺序）。

一般来说：不可屏蔽中断 > 内部异常 > 可屏蔽中断；DMA 请求 > I/O 设备的中断请求；高速设备 > 低速设备，输入设备 > 输出设备，实时设备 > 普通设备。

中断响应

CPU 响应中断必须满足三个条件：

1. 中断源有中断请求；
2. CPU 允许中断，即处于开中断状态（中断允许触发器 IF = 1；异常和不可屏蔽中断不受此限制）；
3. 一条指令执行完毕，且没有更紧迫的任务（如 DMA 请求）。

响应中断后，CPU 进入中断周期，由硬件自动完成中断隐指令的操作：

1. 关中断：保护断点和现场期间不被新的中断打断；
2. 保存断点：把 PC 的内容（以及 PSW）保存到栈或特定寄存器中；
3. 引出中断服务程序：识别中断源，把中断服务程序的入口地址送入 PC。

「中断隐指令」并不是指令系统中的一条真正的指令，而是硬件在中断周期自动完成的一系列操作。

中断处理过程

中断服务程序的主要任务是保护现场（保存通用寄存器等，由软件完成）、设备服务（完成数据传送等）、恢复现场，最后执行中断返回指令。单重中断与多重中断的区别在于何时开中断：

• 单重中断：执行中断服务程序时不响应新的中断，直到恢复现场后才开中断。
• 多重中断（中断嵌套）：在保护现场和屏蔽字之后就开中断，允许优先级更高的中断打断当前服务程序；恢复现场前要先关中断，防止恢复过程被打断；最后再开中断、返回。

实现多重中断的条件：① 在中断服务程序中提前设置开中断指令；② 优先级高的中断源有权中断优先级低的中断源。

中断屏蔽与处理优先级

每个中断源对应一个屏蔽触发器（1 表示屏蔽，0 表示开放），所有屏蔽触发器组成屏蔽字寄存器，其内容称为屏蔽字。CPU 执行某个中断源的服务程序时，屏蔽字寄存器中放的就是该中断源对应的屏蔽字。

• 中断响应优先级由硬件排队线路决定，不能改变；中断处理优先级由屏蔽字决定，可以通过改写屏蔽字来改变。
• 屏蔽字的设置规律：每个中断源的屏蔽字中，处理优先级不高于自己的中断源（包括自己）都置 1；屏蔽字中 1 越多，处理优先级越高；每个屏蔽字至少有一个 1（至少要屏蔽自身）。

下面的演示中，A、B、C、D 四个中断源的硬件响应优先级为 A > B > C > D。切换处理优先级，观察 CPU 执行轨迹和中断完成次序的变化：

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