I/O方式对比

考情分析

三种 I/O 方式的对比常在综合题里出现，题面会给出具体参数让你计算 CPU 用于 I/O 的时间占比、实际传输效率。这类题目的核心在于搞清楚每种方式中 CPU 在什么环节介入、介入多少次。

大纲定位

考纲第六章（三）：I/O 方式三条的横向对比。

本篇不引入新知识点，专做三种方式的对照与定量计算。

三种方式全面对比

特性	程序查询	中断驱动	DMA
数据传输经过 CPU	是	是	否
数据通路（两端是谁）	设备接口 → CPU 寄存器 → 主存	设备接口 → CPU 寄存器 → 主存	设备接口 ↔ 主存（不进 CPU）
谁持有主存地址、谁发起访存	CPU	CPU	DMA 控制器
传输单位	字/字节	字/字节	数据块
CPU 在传输期间	忙等（轮询）	可执行其他程序	可执行其他程序
CPU 介入频率	每个字都全程参与	每个字中断一次	每个块开始/结束各一次
响应时机	随时（查询到就处理）	指令执行结束后	存储周期结束后
硬件成本	最低	需要中断控制器	需要 DMA 控制器
CPU 利用率	最低	中等	最高
适用设备（主要场景）	低速、简单系统	中低速设备	高速、成批传送

编者注（"数据通路"那一行）：查询和中断方式下，数据要先进 CPU 的寄存器再写主存，通路是三段；DMA 是设备接口直连主存，CPU 不在通路上。DMAC 内部的数据缓冲寄存器只是过渡缓冲，不改变通路的两端——"数据通路在设备接口和 DMA 控制器之间"是错的说法。

另外，"适用设备"这一栏是主要场景，不是硬限制。DMA 并没有"必须接高速设备"的约束，只要设备支持 DMA 协议就能用。408 里凡是出现"仅适用于""所有""必须"这类绝对化措辞的选项，先怀疑。

定量分析框架

设 CPU 主频为 $f$（Hz），一个时钟周期为 $T=1/f$。

程序查询方式的 CPU 开销

假设设备数据传输速率为 $R$（B/s），每次查询需要 $c$ 条指令，每条指令 $k$ 个时钟周期。

设 $u$ 为每次传输的字节数——它由数据端口/缓冲寄存器的宽度决定（端口 8 位则 $u=1$，32 位则 $u=4$），不是默认 1 字节。

$$\text{每秒查询次数}=\frac{R}{u}$$$$\text{CPU 用于查询的时钟周期数}=\frac{R}{u}\times c\times k$$$$\text{CPU 时间占比}=\frac{R\times c\times k}{u\times f}\times 100\mathrm{\%}$$

编者注（$u$ 是最常被漏的量）：题面里"I/O 数据端口 32 位""每次传送一个字"这类条件就是在告诉你 $u$。默认按 1 字节算，结果会差 $u$ 倍。

两种模型别混用——先从题面判：

题面怎么说	用哪套
"CPU 循环等待直到设备就绪""期间不做其他事"	独占查询（忙等），占比 100%，没什么可算
"每隔 $T$ 查询一次""每次查询占用 $c$ 条指令"	定时查询，用上面的公式算

408 的计算题一律是定时查询口径——只有它才有东西可算。

中断方式的 CPU 开销

每传一个传输单位（$u$ 字节）触发一次中断，每次中断服务需要 $m$ 个时钟周期（含保存/恢复现场）。

$$\text{每秒中断次数}=\frac{R}{u},\text{CPU 用于中断的时钟周期数}=\frac{R}{u}\times m$$

$m$ 常常要自己折算——题目给的是指令条数：

$$m=(\text{服务程序指令数}+\text{其他开销折合指令数})\times \text{CPI}$$

两部分先相加再乘 CPI。

$$\text{CPU 时间占比}=\frac{R\times m}{u\times f}\times 100\mathrm{\%}$$

DMA 方式的 CPU 开销

DMA 以块为单位传输，设块大小为 $B_s$ 字节，每秒传输数据量为 $R$（B/s）。

每秒 DMA 中断次数 $=R/B_s$，每次中断 CPU 开销为 $m$ 个时钟周期。

$$\text{CPU 时间占比}=\frac{(R/B_s)\times m}{f}\times 100\mathrm{\%}$$

由于 $B_s$ 通常很大（如 512 B 或 4 KB），DMA 的 CPU 开销比中断方式低 $B_s$ 倍。

定量对比示例

假设参数如下：

参数	值
CPU 主频 $f$	1 GHz
设备传输速率 $R$	1 MB/s
查询一次：$c\times k$	100 个时钟周期
中断一次：$m$	500 个时钟周期
DMA 块大小 $B_s$	4 KB
DMA 中断一次：$m$	500 个时钟周期

方式	每秒 CPU 开销（周期）	CPU 时间占比
程序查询	${10}^6\times 100={10}^8$	$10\mathrm{\%}$
中断	${10}^6\times 500=5\times {10}^8$	$50\mathrm{\%}$
DMA	$({10}^6/4096)\times 500\approx 1.22\times {10}^5$	$0.012\mathrm{\%}$

这里中断的 CPU 开销反而高于查询，因为中断保存/恢复现场的开销（500 周期）大于单次查询（100 周期）。但关键区别是：查询方式下 CPU 在等待期间什么都不能做（忙等），中断方式下 CPU 在等待期间可以执行其他程序。

所以中断方式的优势不是减少 I/O 本身的 CPU 开销，而是让 CPU 在 I/O 等待期间去做有用的事。

选择 I/O 方式的决策逻辑

判断标准：

• 如果设备极慢（键盘、鼠标），中断频率低，中断方式就够了
• 如果设备很快（磁盘 100 MB/s），每字节中断一次会导致每秒 ${10}^8$ 次中断，CPU 完全崩溃，必须用 DMA
• DMA 将中断频率降低了 $B_s$ 倍（块大小倍）

交互可视化

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例题

例 1：CPU 主频 800 MHz，某外设数据传输速率 0.5 MB/s，中断服务程序共需 200 个时钟周期。如果采用中断方式，CPU 用于该设备 I/O 的时间占比是多少？

解：每秒中断 $0.5\times {10}^6$ 次，每次 200 周期。

$$\text{占比}=\frac{0.5\times {10}^6\times 200}{800\times {10}^6}=\frac{{10}^8}{8\times {10}^8}=12.5\mathrm{\%}$$

例 2：承接例 1，如果改用 DMA 方式，块大小 512 B，中断处理同样 200 个时钟周期，CPU 时间占比变为多少？

解：每秒中断次数 $=0.5\times {10}^6/512\approx 976.6$ 次。

$$\text{占比}=\frac{976.6\times 200}{800\times {10}^6}\approx 0.0244\mathrm{\%}$$

与中断方式的 12.5% 相比，DMA 将 CPU 开销降低了约 500 倍（$\approx B_s=512$）。

例 3：某系统同时连接了键盘（10 B/s）和磁盘（50 MB/s），应该分别采用什么 I/O 方式？

解：键盘速率极低，10 B/s 意味着每秒最多 10 次中断，开销可忽略不计，使用中断方式即可。磁盘 50 MB/s 如果用中断方式，每秒 $5\times {10}^7$ 次中断，CPU 根本处理不过来，必须使用 DMA，以块为单位传输（4 KB 块 → 每秒约 12207 次中断，开销很小）。

考点清单

• 程序查询 CPU 全程忙等，中断方式释放 CPU 等待时间，DMA 释放 CPU 传输时间
• 中断方式的优势不在于减少 I/O 的 CPU 开销，而在于 CPU 可以在等待期间做其他事
• DMA 的 CPU 开销比中断方式低约 $B_s$ 倍（块大小倍）
• CPU 时间占比 = 每秒中断次数 $\times$ 单次中断周期数 / CPU 主频
• DMA 响应在存储周期结束后（比中断更细粒度）
• 高速设备必须用 DMA，否则中断频率会压垮 CPU

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