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程序查询与中断驱动I/O
考情分析
中断驱动 I/O 是 408 大题的高频考点。中断响应过程（关中断→保存断点→识别中断源→转中断服务程序）几乎是必背流程。程序查询方式的 CPU 时间占用计算也常作为小题出现。
程序查询方式
工作原理
CPU 通过不断读取设备状态端口来判断设备是否就绪，就绪后再进行数据传输。
开始:
CPU 向设备发出启动命令
循环:
读取状态端口
if (设备忙)
goto 循环 // 忙等待
else
传输一个字/字节数据
if (传输未完成)
goto 循环
else
结束性能分析
假设 CPU 时钟周期为
也就是说，在设备准备数据期间，CPU 全部时间都消耗在轮询上，CPU 利用率为：
当外设很慢时，
适用场景
- I/O 操作很少且简单的嵌入式系统
- 对实时性要求极高、不能有中断延迟的特殊场合
- 设备速度与 CPU 速度差异不大时
中断驱动方式
基本思想
CPU 发出 I/O 命令后不再等待，转去执行其他程序。当设备完成操作后，通过中断请求通知 CPU，CPU 暂停当前程序，执行中断服务程序完成数据传输。
中断的分类
| 类型 | 来源 | 举例 |
|---|---|---|
| 外中断（硬件中断） | CPU 外部设备 | I/O 完成、定时器、键盘 |
| 内中断（异常） | CPU 内部 | 除零错误、缺页、非法指令 |
I/O 中断属于外中断。
中断响应过程
当 CPU 检测到中断请求且允许响应时，执行以下步骤（由硬件自动完成）：
- 关中断：将中断允许标志 IF 置 0，防止响应过程中被其他中断打断
- 保存断点：将当前 PC（和 PSW）压入栈，记录返回地址
- 识别中断源：确定是哪个设备发出的中断
- 转中断服务程序：将中断服务程序的入口地址送入 PC
上述硬件自动完成的步骤统称为中断隐指令——它不是指令系统中的一条真实指令，而是硬件在中断响应时自动执行的一系列操作。
中断服务程序的执行过程（由软件完成）：
- 保护现场：保存通用寄存器等 CPU 状态
- 中断服务：执行实际的 I/O 数据传输
- 恢复现场：恢复之前保存的寄存器
- 中断返回：执行中断返回指令（如 IRET），恢复 PC 和 PSW
中断源识别
两种方式：
软件查询法：CPU 逐一检查各设备的中断标志位，先查到的先处理。
硬件向量法（中断向量表）：每个中断源有唯一编号，对应中断向量表中的一个表项，表项存放中断服务程序的入口地址（即中断向量）。
使用中断向量表的方式称为向量中断（响应速度快，硬件自动定位 ISR 入口）；使用软件查询的方式称为非向量中断（速度慢，需逐一检查中断标志）。408 中一般考查的是向量中断。
中断优先级
多个设备同时请求中断时，按优先级排队。优先级通常的排列：
注意：DMA 请求不属于中断优先级体系，它通过总线仲裁机制处理（详见 DMA 章节）。硬件实现上，可通过中断屏蔽字设置每个中断源在被服务时屏蔽哪些中断。
多重中断（中断嵌套）
在处理一个中断的过程中，如果出现更高优先级的中断请求，CPU 可以暂停当前中断服务程序，转去处理更高优先级中断。
实现多重中断的条件：
- 中断服务程序中开中断（否则所有新中断都被屏蔽）
- 新中断的优先级高于当前正在处理的中断
中断屏蔽字的作用就是控制"哪些中断可以打断当前中断"：
中断屏蔽字详解
中断屏蔽字用于调整中断的处理优先级。每个中断源在被服务时加载自己的屏蔽字，屏蔽字中某位为 1 表示屏蔽对应中断源（不允许打断），为 0 表示允许。
设置原则：
- 每个中断源至少屏蔽自身（防止同级中断重入）
- 处理优先级比自己低的中断源全部屏蔽
- 处理优先级比自己高的中断源允许通过（对应位为 0）
例 4：某机有 A、B、C、D 四个中断源，硬件响应优先级为
（1）写出每个中断源的中断屏蔽字。
| 中断源 | 处理优先级 | 需屏蔽 | 屏蔽字（A B C D） |
|---|---|---|---|
| A | 最高 | A、B、C、D | 1 1 1 1 |
| D | 第二 | B、C、D | 0 1 1 1 |
| C | 第三 | B、C | 0 1 1 0 |
| B | 最低 | B | 0 1 0 0 |
规律：屏蔽字中为 1 的位 = 自身 + 处理优先级比自己低的所有中断源。
（2）若 CPU 执行用户程序时 A、C、D 同时请求；随后在执行 C 的中断服务程序期间 B 请求。分析执行轨迹。
时间 →
用户程序 ──→ A中断服务 ──→ 返回用户程序 ──→ C中断服务 ──→ D中断服务 ──→ 返回C ──→ 返回用户 ──→ B中断服务 ──→ 返回用户分析过程：
- A、C、D 同时请求，按响应优先级
，先响应 A - A 的屏蔽字 = 1111，所有中断被屏蔽，A 独占 CPU 直至完成
- A 完成后返回用户程序，C 和 D 仍然有效。按响应优先级先响应 C
- 进入 C 的服务程序，加载屏蔽字 0110。D 未被屏蔽（D 位 = 0），立即响应 D
- D 完成后返回 C，继续执行。此时 B 请求到达，但 C 的屏蔽字中 B 位 = 1，B 被屏蔽
- C 完成后返回用户程序，B 不再被屏蔽，CPU 响应 B
- B 完成后返回用户程序
交互可视化
例题
例 1：某 CPU 主频 500 MHz，每次查询 I/O 状态需要 50 个时钟周期。一个外设数据传输速率为 100 KB/s，每次传输 1 B，采用程序查询方式时 CPU 用于 I/O 查询的时间占比是多少？
解：程序查询方式是忙等待模型，CPU 发出 I/O 命令后反复轮询状态端口，在设备准备数据期间不执行其他任务。因此 CPU 用于 I/O 查询的时间占比为 100%。
补充：若题目问的是"查询指令本身占 CPU 总能力的比例"（即假设 CPU 可以在查询间隙做其他事），则每秒需查询
例 2：中断响应过程中，哪些操作由硬件完成？哪些由软件完成？
解：硬件完成：关中断、保存断点（PC/PSW 入栈）、识别中断源、送入口地址到 PC。软件完成：保护现场（保存通用寄存器）、中断服务、恢复现场、中断返回。
例 3：设有 A、B、C 三个中断源，优先级 A > B > C。C 正在被服务时 A 和 B 同时请求，CPU 如何响应？
解：A 和 B 的优先级都高于 C，可以打断 C。因为 A > B，CPU 先暂停 C → 处理 A。A 完成后执行中断返回，恢复到 C 的断点并重新开中断。此时 B 的请求仍然有效且 B > C，CPU 立即响应 B → 处理 B → B 完成后返回继续 C。最终执行顺序：C（部分）→ A → B → C（完成）。
注意：A 处理完返回 C 后，CPU 一旦开中断就会立即检测到 B 的请求并响应，不会真正执行 C 的代码。具体处理顺序也可能因中断屏蔽字的设置而不同。
易混淆知识点
1. 向量中断、中断向量、向量地址有什么区别？
- 中断向量：中断服务程序的入口地址
- 向量地址：中断向量在中断向量表中的存储位置（由中断类型号 × 表项长度计算得出）
- 向量中断：一种中断处理方式，由硬件自动提供中断类型号并查表定位服务程序入口
三者关系：向量中断方式下，CPU 获取中断类型号 → 计算向量地址 → 从向量地址处取出中断向量 → 转入中断服务程序。
2. 响应优先级和处理优先级一样吗？
不一定。响应优先级由硬件排队电路固定，决定多个请求同时到达时谁先被识别。处理优先级由中断屏蔽字动态控制，决定谁能打断谁。二者可以不同（如本文例 4）。
3. 程序中断和子程序调用有什么区别？
子程序调用由 CALL 指令主动发起，时机确定；中断由外部事件随机触发，具有异步性。子程序为主程序服务（主从关系）；中断服务程序与主程序无关（平行关系）。子程序调用是纯软件行为，中断需要硬件支持（中断控制器、判优电路等）。
考点清单
- 程序查询方式 CPU 全程忙等，利用率最低
- 中断响应四步（硬件）：关中断 → 保存断点 → 识别中断源 → 转入口地址
- 中断隐指令 = 关中断 + 保存断点 + 送入口地址（硬件自动，非真实指令）
- 向量中断（查表定位 ISR）vs 非向量中断（软件轮询定位 ISR）
- 中断向量 = 入口地址；向量地址 = 入口地址在向量表中的位置
- 中断向量表存放的是中断服务程序的入口地址，不是中断服务程序本身
- 多重中断需要两个条件：开中断 + 新中断优先级更高
- 中断屏蔽字控制当前中断服务期间可以被哪些中断打断
- 响应优先级（硬件固定）和处理优先级（屏蔽字调整）可以不同