8.5 I/O 专题：CPU 开销与多重中断
408 I/O 综合题的解法——程序查询、中断、DMA 三种方式下 CPU 用于 I/O 的时间占比计算，DMA 与 CPU 的访存冲突，中断响应优先级与处理优先级、屏蔽字的设置，以及多重中断时程序运行轨迹的画法。
三种方式的 CPU 开销
所有计算都基于同一个公式：
三种方式的区别在于”事件”是什么、每次事件传送多少数据：
| 方式 | 一次”事件” | 每次传送的数据量 | 每次占用 CPU 的时间 |
|---|---|---|---|
| 程序查询 | 一次查询（为不丢失数据，查询频率不能低于数据的传送频率） | 一个数据（如 1 个字） | 查询程序的执行时间 |
| 中断 | 一次中断 | 一个数据（或一个缓冲区） | 中断服务程序 + 中断响应、保存/恢复现场等其他开销 |
| DMA | 传送一个数据块 | 整个数据块 | 只有预处理（设置 DMA 控制器）和后处理（DMA 结束中断）的时间；块传送期间 CPU 不参与 |
| 方式 | 外设数据率（MB/s） | 每次传送（B） | 每次占用 CPU（时钟周期） |
|---|---|---|---|
| 每次查询传送 | 每次查询 | ||
| 每次中断传送 | 每次中断（含开销） | ||
| 每个数据块 | 每块预处理 + 后处理 |
某计算机 CPU 主频为 500 MHz，CPI 为 5。(1) 某外设的数据传输率为 0.5 MB/s，采用中断方式与主机传送数据，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。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，每次 DMA 传送的块大小为 5000 B，DMA 预处理和后处理的总开销为 500 个时钟周期。CPU 用于该外设 I/O 的时间占整个 CPU 时间的百分比是多少？（假设 DMA 与 CPU 之间没有访存冲突）
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(1) 每秒中断次数 = 0.5 MB/s ÷ 4 B = 1.25 × 10⁵ 次；每次中断执行 18 + 2 = 20 条指令，需 20 × 5 = 100 个时钟周期。
(2) 每秒 DMA 传送次数 = 5 MB/s ÷ 5000 B = 1000 次；每次占用 CPU 500 个时钟周期。
数据率提高了 10 倍，CPU 开销反而降为原来的 1/25：DMA 适合高速、成块传送的外设。
CPU 主频 50 MHz，一次查询操作需要 100 个时钟周期。分别计算以下设备采用程序查询方式时 CPU 用于查询的时间占比：(1) 软盘以 16 位为单位传送，数据率 50 KB/s；(2) 硬盘以 32 位为单位传送，数据率 2 MB/s。硬盘能否采用程序查询方式？若硬盘改用 DMA 方式，每次传送 4 KB 的块，每次 DMA 的预处理与后处理共 1500 个时钟周期，CPU 占用率是多少？
查看解答
(1) 为不丢失数据，每秒至少查询 50 KB/s ÷ 2 B = 2.5 × 10⁴ 次：2.5 × 10⁴ × 100 ÷ (50 × 10⁶) = 5%。
(2) 每秒至少查询 2 MB/s ÷ 4 B = 5 × 10⁵ 次：5 × 10⁵ × 100 ÷ (50 × 10⁶) = 100%——CPU 的全部时间都用来查询硬盘，不能采用程序查询方式。
改用 DMA：每秒传送 2 × 10⁶ ÷ 4096 ≈ 488.3 块，占用 488.3 × 1500 ÷ (50 × 10⁶) ≈ 1.46%。（在计算器中选择第二个预置即可验证。）
DMA 与 CPU 的访存冲突
DMA 传送期间 CPU 仍在执行程序，两者可能同时要访问主存。有三种处理方法：
| 方法 | 做法 | 特点 |
|---|---|---|
| 停止 CPU 访存 | DMA 传送一批数据期间，CPU 让出总线控制权，暂停访存 | 控制简单；但外设两次传送之间主存空闲，CPU 也不能访存，效率低 |
| 周期挪用（周期窃取） | DMA 每传送一个数据，就”挪用”一个存储周期；若 CPU 此时也要访存，DMA 优先 | 最常用；适合 I/O 设备读写周期大于主存周期的情况 |
| DMA 与 CPU 交替访存 | 把一个 CPU 周期分成两半，分别供 DMA 和 CPU 访存 | 不需要总线控制权的申请与归还；要求 CPU 周期是主存周期的 2 倍以上 |
多重中断与屏蔽字
多个中断源同时请求时，有两种”优先级”：
- 响应优先级：同时有多个请求时，先响应谁。它由硬件排队电路决定，不能改变。
- 处理优先级：一个中断正在处理时，能否被另一个中断打断。它由各级中断服务程序设置的屏蔽字决定，可以由软件改变。
屏蔽字中某位为 1 表示屏蔽对应级别的中断。若要求处理优先级为某一顺序，则每一级的屏蔽字应屏蔽它自己以及所有处理优先级比它低的级别，对处理优先级更高的级别置 0。
| 处理优先级 1 > 4 > 3 > 2 | 屏蔽 1 | 屏蔽 2 | 屏蔽 3 | 屏蔽 4 |
|---|---|---|---|---|
| 第 1 级中断服务程序 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 第 2 级中断服务程序 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 第 3 级中断服务程序 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 第 4 级中断服务程序 | 0 | 1 | 1 | 1 |
CPU 执行某级服务程序时，若到来的请求未被屏蔽，就暂停当前服务程序（保存断点），转去执行新的服务程序，结束后再返回——这就是中断嵌套。下面的实验按照硬件响应优先级 1 > 2 > 3 > 4 进行模拟，点击屏蔽字中的数字可以修改屏蔽关系，拖动时刻滑块查看任意时刻 CPU 在做什么：
| 中断服务程序 | 屏蔽 1 | 屏蔽 2 | 屏蔽 3 | 屏蔽 4 |
|---|---|---|---|---|
| 第 1 级 | ||||
| 第 2 级 | ||||
| 第 3 级 | ||||
| 第 4 级 |
| 级别 | 请求时刻 | 服务时间 |
|---|---|---|
| 第 1 级 | ||
| 第 2 级 | ||
| 第 3 级 | ||
| 第 4 级 |
设某机有 4 级中断，硬件响应优先级从高到低为 1 → 2 → 3 → 4。现要求把处理优先级改为 1 → 4 → 3 → 2。(1) 写出各级中断服务程序的屏蔽字；(2) CPU 执行用户程序时，同时出现 2、3 级中断请求，15 μs 后又同时出现 1、4 级中断请求。设每级中断服务程序的执行时间都是 10 μs，不计中断响应和保存现场的时间。画出 CPU 执行程序的轨迹，并写出各级中断服务程序的完成顺序。
查看解答
(1) 屏蔽字见上表：第 1 级 1111，第 2 级 0100，第 3 级 0110，第 4 级 0111。
(2) 轨迹（时间单位 μs）：
- t = 0：2、3 级同时请求，按响应优先级先响应 2 级；2 级服务程序开中断后，它的屏蔽字 0100 没有屏蔽 3 级，于是立即被 3 级打断。
- t = 0～10：执行 3 级服务程序（屏蔽字 0110，此时没有其他请求），t ≈ 10 结束，返回 2 级。
- t = 15：1、4 级同时请求，2 级的屏蔽字未屏蔽它们，按响应优先级先响应 1 级；1 级屏蔽所有中断，执行到 t = 25 结束，返回 2 级。
- 返回 2 级后，4 级请求未被 2 级屏蔽，立即响应 4 级，执行到 t = 35 结束，返回 2 级。
- 2 级服务程序继续执行剩余部分，约 t = 40 结束，返回用户程序。
完成顺序为 3 → 1 → 4 → 2，与要求的处理优先级 1 > 4 > 3 > 2 一致（同时到达的请求中，处理优先级高的先完成）。在实验中选择第一个预置即可看到这条轨迹；改用第二个预置（处理优先级与响应优先级相同），完成顺序变为 2 → 1 → 3 → 4。
即时练习
- 1CPU 主频为 50 MHz。某外设以中断方式传送数据，数据率为 20 KB/s（1 K = 1000），每次中断传送 2 B，每次中断（含服务程序和其他开销）需要 500 个时钟周期，则 CPU 用于该外设的时间占比为（ ）。
- 2CPU 主频为 200 MHz。某磁盘以 DMA 方式传送，数据率 40 MB/s，每个数据块 4000 B，每次 DMA 预处理和后处理共 1000 个时钟周期，忽略访存冲突，则 CPU 用于该磁盘 I/O 的时间占比为（ ）。
- 3某机有 4 级中断，硬件响应优先级为 1 > 2 > 3 > 4。若要求处理优先级为 3 > 1 > 2 > 4，则第 1 级中断服务程序的屏蔽字（依次对应 1、2、3、4 级，1 表示屏蔽）为（ ）。
- 4下列关于中断优先级的叙述中，正确的是（ ）。
- 5采用 DMA 方式传送一个数据块时，下列工作中不需要 CPU 参与的是（ ）。
标记完成后，侧栏会显示进度。进度仅保存在本浏览器中。