题目

假定 CPU 主频为 50MHz，CPI 为 4。设备 D 采用异步串行通信方式向主机传送 7 位 ASCII 字符，通信规程中有 1 位奇校验位和 1 位停止位，从 D 接收启动命令到字符送入 I/O 端口需要 0.5ms。请回答下列问题，要求说明理由。

(1) 每传送一个字符，在异步串行通信线上共需传输多少位？在设备 D 持续工作过程中，每秒钟最多可向 I/O 端口送入多少个字符？

(2) 设备 D 采用中断方式进行输入/输出，示意图如下∶

I/O 端口每收到一个字符申请一次中断，中断响应需 10 个时钟周期，中断服务程序共有 20 条指令，其中第 15 条指令启动 D 工作。若 CPU 需从 D 读取 1000 个字符，则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？在中断响应阶段 CPU 进行了哪些操作？

解析

本题考查 异步串行通信的帧格式、中断方式 I/O 的时间核算、中断响应阶段的工作内容 三块内容。难点在第 (2) 问的"两个时间"区分：

• 总任务时间：CPU 等设备 D 准备字符的时间 + 中断响应 + 中断服务程序部分指令；
• CPU 实际占用时间：只有 CPU 真正在干活的部分（中断响应 + 整段中断服务程序），不包括 CPU 在等设备的时间。

(1) 异步串行通信每帧位数与最大字符速率 [3 分]

每个字符的帧位数。

异步串行通信的字符帧 = 起始位 + 数据位 + 校验位 + 停止位：

易错点： 起始位（start bit）必须算上——它是异步通信的同步信号。如果只数 9 位（漏掉起始位），按评分说明给 1 分。

每秒最多字符数。 题干说"从 D 接收启动命令到字符送入 I/O 端口需要 0.5ms"——这是设备 D 准备 1 个字符的耗时。每秒最多准备：

【评分说明】第 1 问若答总位数为 9，给 1 分。

(2) 中断方式下 1000 字符的总时间与 CPU 占用时间 [9 分]

Step 0. 算时钟周期。

Step 1. 拆解一个字符的传送过程。

阶段	含义	时间
① 设备 D 准备字符	启动到字符到 I/O 端口	0.5 ms
② 中断响应	关中断、保护断点等	10 个时钟周期
③ 中断服务程序前 15 条指令	含第 15 条启动 D 工作	个时钟周期
④ 中断服务程序后 5 条指令	CPU 处理收尾，但此时 D 已开始下一字符的准备	个时钟周期（与下个字符的 ① 重叠）

Step 2. 算单字符传送时间。

注意：第 15 条指令"启动 D 工作"之后，D 开始为下一字符准备，所以 ④ 与下一字符的 ① 重叠——传送时间只算到第 15 条为止。

设备 D 准备时间换算成时钟周期：

单字符传送时间：

Step 3. 算 1000 字符总时间。

【评分说明】第 1 问若答 25070020，同样给分；若答 25000000 或 25000020，给 2 分。

Step 4. 算 CPU 实际占用时间。

CPU 在每字符上真正干活的部分：中断响应（10）+ 整段 20 条中断服务（）：

1000 字符：

易错点（关键的两个时间区别）：

• 任务总时间 包括"等 D 准备字符"——CPU 在等的时候也在跑，但等的时候 CPU 处理的是别的程序；
• CPU 用于该任务时间 只算 CPU 真正给这个 I/O 任务工作的时间。

两者的差就是"中断方式相对于程序查询方式的优势"——CPU 不必空轮询等设备。

Step 5. 中断响应阶段 CPU 的操作。

中断响应（一次中断刚被识别后的硬件动作）至少做：

1. 关中断（屏蔽其他中断，避免中断嵌套竞争）；
2. 保护断点（把当前 PC 压栈或写入断点寄存器，以便中断返回）；
3. 保护程序状态（PSW）；
4. 识别中断源（向量法或软件查询）。

【评分说明】只要回答关中断和保护断点，就给 2 分；其他答案酌情给分。

编者注（生僻术语）： "中断响应"是 CPU 内部硬件自动完成的几步固定动作，紧接着才进入"中断服务程序"（软件层面的处理代码）。两者不要混淆——前者由硬件做，后者由软件写。