题目

某计算机的 CPU 主频为 500MHz，CPI 为 5（即执行每条指令平均需 5 个时钟周期）。假定某外设的数据传输率为 0.5MB/s，采用中断方式与主机进行数据传送，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。请回答下列问题，要求给出计算过程。

(1) 在中断方式下，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 5M B/s 时，改用 DMA 方式传送数据。假定每次 DMA 传送块大小为 5000B，且 DMA 预处理和后处理的总开销为 500 个时钟周期，则 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）

解析

本题考查中断方式与 DMA 方式下 CPU 用于 I/O 时间占比的计算。两种方式的本质差异在于 "CPU 介入的颗粒度"：

• 中断方式：每搬一个传输单位（这里 32 位 = 4B）就要打断 CPU 一次，频次很高；
• DMA 方式：每搬一整块（5000B）才打扰 CPU 一次（预处理 + 后处理），整块传输过程 CPU 不参与（题干假设无访存冲突）。

通用思路：算出 1 秒内 I/O 占用的总时钟周期，除以 CPU 1 秒提供的时钟周期数（即主频）即得占比。

(1) 中断方式下 CPU 用于 I/O 的时间占比 [4 分]

Step 1. 算每次中断 CPU 的开销。

中断服务程序有 18 条指令，"中断的其他开销"折合 2 条指令的执行时间，每条指令平均 5 个时钟周期（CPI = 5）：

Step 2. 算 1 秒内的中断次数。

外设传输率 ，每次中断传送 32 位即 4B，故每秒申请中断次数为：

Step 3. 算 1 秒内中断总开销。

Step 4. 与 CPU 主频对比。

CPU 主频 500 MHz，即 1 秒提供 个时钟周期：

(2) DMA 方式下 CPU 用于 I/O 的时间占比 [3 分]

Step 1. 算 1 秒内的 DMA 次数。

外设传输率提升至 ，每次 DMA 传送 5000B：

Step 2. 算 1 秒内 DMA 总开销。

DMA 在整块传输过程不占用 CPU，CPU 只在预处理 + 后处理时被占用，每次 500 个时钟周期：

Step 3. 与 CPU 主频对比。

关键易错点

易错点 1（中断开销构成）： 算每次中断的 CPU 开销时，必须把"中断服务程序"+ "中断响应/保护现场/恢复现场（即题干说的'其他开销'）"两部分指令数加起来，再乘以 CPI。常见错误是直接把 18 条指令当成 18 个时钟周期，漏掉 ×5。

易错点 2（DMA 不等于全程占用）： DMA 整块搬运的过程 CPU 仍可执行其他指令（题干已声明"DMA 与 CPU 之间无访存冲突"），因此只统计预/后处理开销 500 周期。如果把 5000 个字节的搬运也算进 CPU 开销，就掉到了 PIO（程序查询）方式的思路里。

【评分说明】考生只给出正确的计算结果而未给出计算过程，每个结果给 2 分。