I/O 与 CPU 占用率：数 CPU 被这台外设拉走了多少拍（专题总纲）

Intro

这一类题的题面给的东西很有规律：一个主频、一个 CPI、一个外设数据传输率，再加一个「每次要花多少条指令 / 多少个时钟周期」。然后问一句话——

CPU 用于该外设 I/O 的时间占整个 CPU 时间的百分比是多少？

这是 2009 年那道两小问的原话。2018 年那道换了个说法——「CPU 用于设备 A 输入/输出的时间占 CPU 总时间的百分比至少是多少？」——问的是同一个量。2016 年那道换了记法，问的是绝对的时钟周期数；2022 年那道不问时间，改数总线请求次数。但它们背后是同一件事：

数 CPU 被这台外设拉走了多少拍。

而这个数永远等于两个因子相乘：

CPU 用于该外设的周期数 = \underset{一秒被拉走几次}{\underset{⏟}{N}} \times \underset{每次拉走几拍}{\underset{⏟}{C}}

占比 = \frac{N \times C}{f} (f = 主频，即 CPU 一秒能提供多少拍)

程序查询、中断、DMA 是同一个问题的三档答案——搬这批数据时 CPU 参与多少。算法从头到尾不变，换的只有 $N$ 和 $C$ 这两个因子怎么填。

三档只改两个因子

方式	$N$ ：一秒被拉走几次	$C$ ：每次几拍
程序查询	$1 s \div$ 设备准备一个传输单位的时间	查询程序的指令数 $\times$ CPI
中断	数据传输率 $\div$ 传输单位；题面若给的是设备准备时间，则同上一行	题面直接给周期数就用它（2018、2016 都是这样），只给指令数才乘 CPI
DMA	数据传输率 $\div$ 块大小	预处理 + 后处理的周期数

$C$ 那一列越往下越大， $N$ 那一列越往下越小，而 $N$ 掉得比 $C$ 涨得快——这就是三档的全部差别。2009 年那道把这一点摆得最清楚：中断按 4 B 一次算，DMA 按 5000 B 一块算，颗粒度差 1250 倍。

$N$ 的来源有一处结构差异，值得单独记。 中断和 DMA 的 $N$ 是设备主动来叫的次数，由数据量除以颗粒度定；程序查询的 $N$ 却是由「不能丢数据」这个约束反推出来的——CPU 主动去看，看得不够勤就会漏掉一个数据，所以查询间隔的上界等于设备准备一个传输单位的时间， $N$ 取这个上界的倒数。2018 年那道第 (1) 问问的正是「最多间隔多长时间查询一次」，这个「最多」就是这么来的。

DMA 的 $C$ 里没有搬运

这是这个专题最贵的一分。在题面声明「DMA 与 CPU 无访存冲突」（或按交替访问方式）时，DMA 的 $C$ 只有预处理加后处理，整块搬运一拍都不算。 换成周期窃取或停止 CPU 就不成立了——那两种方式下搬运本身要占 CPU 的拍，巩固栏第一道就是算这个的。这个前提是否写在题面上，逐年不同：

2009 年那道写「假设 DMA 与 CPU 之间没有访存冲突」，块大小 5000 B；
2018 年那道第 (3) 问没有这句声明，只给了「CPU 用于 DMA 预处理和后处理的总时钟周期数为 500」和块大小 1000 B，按统考通行做法默认无冲突。

把 5000 或 1000 乘进 $C$ 里，算出来的就是程序查询方式下的数了。

分母不一定是主频

$f$ 这个分母只在题目问「百分比」时才出现。2016 年那道问的是「多少个时钟周期」，分子算完就是答案，不要再除一次。 而且它同一道题里给了两个时间，下一节单说。

边界必错点

2016 年那道有两个时间，差着两个量级。 题面连着问「完成这一任务所需时间大约是多少个时钟周期？CPU 用于完成这一任务的时间大约是多少个时钟周期？」——

任务总时间含 CPU 等设备 D 备好一个字符的 $2.5 \times 10^{4}$ 拍，一个字符 25 070 拍，1000 个字符是 $2.507 \times 10^{7}$ ；
CPU 用于该任务的时间只有中断响应 10 拍加服务程序 80 拍，一个字符 90 拍，1000 个字符是 $9 \times 10^{4}$ 。

两个数相差近 280 倍，写反就整问归零。等设备的那段时间 CPU 并没有闲着，它在跑别的程序，所以不进 CPU 占用。

同一道题里， $C$ 在两种算法下取的指令段还不一样。 还是 2016 年那道：中断服务程序共 20 条指令，第 15 条启动设备 D 工作。

算任务总时间只算到第 15 条为止（ $15 \times 4 = 60$ 拍）——第 15 条一执行，D 就开始备下一个字符了，后 5 条与它重叠；
算 CPU 占用时间要把 20 条算满（ $20 \times 4 = 80$ 拍）——重叠归重叠，这 5 条 CPU 是真的在跑。

15 和 20 这两个数在同一道题里都要用到，各用在各的地方。

问「能不能」的时候不要去算占比。 2018 年那道第 (2) 问是「设备 B 能否采用中断 I/O 方式？为什么？」——做法是拿 $C$ 和设备产出一个传输单位的周期比大小：一次中断 $400 \times 2 ns = 0.8 μ s$ ，设备 B 备好 4 B 只要 $4 B \div 40 MB/s = 0.1 μ s$ 。结论必须落到「上一个数据还没读走，下一个就把缓冲寄存器覆盖了，会丢数据」。 只写「占用率太高」拿不到这一分——中断方式在这里失效的原因是物理上做不到，占用率高低是另一码事。

2018 年那道第 (1) 问的方向别写反。 「最多间隔多长时间查询一次」求的是上界 $2 μ s$ ，查询间隔不能超过它；写成「最少间隔 2 μs」意思就反了。

2022 年那道数的是次数，而且单位要先统一。 「磁盘控制器中的数据缓冲区大小为 64 位，则在一个扇区读写过程中，DMA 控制器向 CPU 发送了多少次总线请求？」——缓冲区给的是位，扇区容量 512 是字节：

\frac{512 B \times 8 bit/B}{64 bit} = \frac{4096}{64} = 64 次

不换单位会算成 8 次。

一道题的答卷长什么样

以 2018 年那道为例——它把三档在一道题里摆齐了。中间量要一个不落地写在卷面上——这类题的分是按推导步骤给的，跳步直接写结果，中间那几步的分就没了。（408 官方不公布小问级细则，本文引的分值摊法是本站按同一标准拟的，只作对照。）

先把三小问共用的分母写在最上面：

T_clk = 1 / 500 MHz = 2 ns
CPU 每秒提供 5×10⁸ 个时钟周期        ← 后面三问都除它

(1) 设备 A · 定时查询

设备 A 备好 32 位(4 B)：4 B / 2 MB/s = 2 μs
  → 查询间隔最多 2 μs（超过就丢数据）
N = 1 s / 2 μs = 5×10⁵ 次/s
C = 10 条 × CPI 4 = 40 个时钟周期
占比 = 5×10⁵ × 40 / 5×10⁸ = 2×10⁷ / 5×10⁸ = 4%

(2) 设备 B · 中断能不能用

一次中断      C = 400 × 2 ns = 0.8 μs
设备 B 备好 4 B  = 4 B / 40 MB/s = 0.1 μs
0.8 μs > 0.1 μs
  → CPU 还没处理完上一个，下一个数据就把缓冲寄存器覆盖了 → 丢数据
  → 设备 B 不能采用中断方式

(3) 设备 B · DMA

N = 40 MB/s / 1000 B = 4×10⁴ 次/s
C = 500 个时钟周期        ← 只有预处理 + 后处理，1000 B 的搬运不占 CPU
占比 = 4×10⁴ × 500 / 5×10⁸ = 2×10⁷ / 5×10⁸ = 4%

⚠️ 第 (1) 问和第 (3) 问算出来都是 4%，这是这道题的巧合。同样 4% 底下服务的数据量差 20 倍：设备 A 是 2 MB/s，设备 B 是 40 MB/s。写完回头看见两个 4% 别慌着改。

第二组的卷面：同一段过程，两个分子

2016 年那道的第 (2) 问 9 分，是本专题最大的一个小问。它把「设备忙了多久」和「CPU 为它忙了多久」摆在同一段过程上分别问，两个数差了两个数量级——分母都不除，直接要拍数。

先把时钟周期折出来：

时钟周期 = 1 / 50 MHz = 20 ns
设备准备一个字符 0.5 ms = 0.5 ms / 20 ns = 2.5 × 10⁴ 拍

分子一：一个字符从开始到送完，整段占了多少拍（含 CPU 在等的时间）

2.5 × 10⁴（等设备准备）
+ 10        （中断响应）
+ 15 × 4    （服务程序前 15 条指令，CPI = 4，第 15 条启动 D）
= 25070 拍
1000 个字符 ≈ 1000 × 25070 = 2.507 × 10⁷ 拍

⚠️ 后 5 条指令不计入——它们与下一个字符的准备时间重叠，题面把这个重叠写在了指令序列里。

分子二：这段过程里 CPU 真正为它花了多少拍（等设备的时间不算）

1000 × (10 + 20 × 4) = 9 × 10⁴ 拍

两个数相差约 280 倍，而这 280 倍正是中断方式的意义所在：CPU 只在那 90 拍里被占住，其余 2.5 万拍它可以去跑别的。

最后一小问问的是操作而不是数：中断响应阶段 CPU 做四件事——关中断、保护断点、保护 PSW、识别中断源。这一档 2 分，答成「保护现场」笼统一句拿不满。

真题的三种形态

第一组 · 三档换算（2009-43、2018-43）——给主频、CPI、数据传输率和每次的开销，问占 CPU 总时间的百分比。两道题骨架完全一样：算分母、填 $N$ 、填 $C$ 、相除。2018 年那道把查询、中断、DMA 三档一次摆齐，2009 年那道摆了中断和 DMA 两档。

第二组 · 同一个分子，两种问法（2016-44）——不除主频了，直接问周期数，并且要求同时给出「任务总时间」和「CPU 用于该任务的时间」两个数。这一组的功夫全在分清哪些拍算进 CPU 占用。它还多问一句「在中断响应阶段 CPU 进行了哪些操作」——答关中断、保护断点即可。

第三组 · 数次数与判优（2022-44）——不算时间了，改数一个扇区读写里 DMA 要打断总线几次；再问 CPU 和 DMA 同时要总线时谁让谁。

其中两道是拼盘题，外挂的小问独立给分。

2016-44 的第 (1) 问前半是外挂：「每传送一个字符，在异步串行通信线上共需传输多少位」考的是异步串行帧格式（起始 1 + 数据 7 + 校验 1 + 停止 1 = 10 位），属于通信规程，1 分。同一问的后半「每秒钟最多可向 I/O 端口送入多少个字符」（ $1 s \div 0.5 ms = 2000$ ）已经是本专题 $N$ 那个因子的原型了，2 分。
2022-44 的第 (1)(2) 问是外挂：CHS 三个地址字段的名称与位数、一个扇区的平均访问时间，属于外存储器那一章，各 2 分共 4 分。只有第 (3) 问的 4 分挂在本专题的骨架上。

外挂的小问单独给分，本专题那部分不熟也不会连累它们，反过来也一样。

交卷前扫一眼

先把主频折成「每秒几拍」放在最上面 · 再填 $N$ （被拉走几次）和 $C$ （每次几拍）· DMA 的 $C$ 里没有搬运 · 问「能不能」就拿 $C$ 和设备产出周期比大小 · 题目问周期数就别除主频

配套内容

大纲这几条的其余打法、这 4 道真题没有正面考过的（前四条在专题的巩固栏里配了题）：

DMA 三种工作方式在 CPU 占用上的差别——停止 CPU 访存、周期挪用、交替访问三档，2022 年那道题面写了「周期挪用」四个字当前提，另外三道的题干里这三个名字一个都没出现；三种方式各占多少、为什么分这三档，没让算过
多个 DMA 设备之间的总线优先级仲裁（⚠️ 总线仲裁在 2026 大纲里查无此项，属大纲外的延伸）——2022 年那道只问了 DMA 和 CPU 二选一；两台 DMA 设备同时申请总线谁先上、依据什么，没考过
中断向量地址怎么算、断点入栈之后栈里是什么——2016 年那道问到「在中断响应阶段 CPU 进行了哪些操作」就停了，答关中断、保护断点就给分；向量表基址加类型号乘表项长度这一步，以及 PC 和 PSW 压栈后 SP 变成多少，没往下问
多重中断与中断屏蔽字——四道真题的题干里一次都没出现「屏蔽」或「嵌套」；2016 年那道停在中断响应阶段，而多重中断要在保护现场之后再开中断——这一步以及屏蔽字怎么设，没考过
I/O 端口的编址方式——统一编址还是独立编址、各自用什么指令访问，大纲要求；2016 年那道题干里出现了「I/O 端口」，但只当作字符的落脚点，没问过它怎么编址
I/O 通道方式（⚠️ 通道已移出大纲，I/O 控制方式只剩程序查询、程序中断、DMA 三种；这里保留一句是为了让你知道见到它可以跳过）
SSD 的组成与磨损均衡——2022 年那道考的是机械磁盘的 CHS 与平均访问时间，固态盘没出现过

逐题精讲（建设中）——真题作答与 AI 判分入口见站内大题专题。

真题练习

2009Q438分 2018Q438分 2016Q4410分 2022Q448分

I/O 与 CPU 占用率：数 CPU 被这台外设拉走了多少拍（专题总纲） ​

Intro ​

三档只改两个因子 ​

DMA 的 C 里没有搬运 ​

分母不一定是主频 ​

边界必错点 ​

一道题的答卷长什么样 ​

第二组的卷面：同一段过程，两个分子 ​

真题的三种形态 ​

交卷前扫一眼 ​

配套内容 ​

真题练习 ​

本专题的真题（4题）

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