软件设计师考试知识点：中断

在计算机中，I/O系统可以有三种不同的工作方式，分别是程序控制方式、程序中断方式和DMA工作方式。

1.程序控制方式

在程序控制方式模式下，输入输出完全由CPU控制，在整个I/O过程中CPU必须等待其完成，限制了CPU的高速能力。不过这种方式下，是由程序主动查询外设，完成主机与外设间的数据传送，方法简单，硬件开销小。

在这种方式下，I/O设备有2种编码方式：

(1)存储器映射：即I/O设备和主存储器统一编址，使用相同的机器指令来访问内存和外设，这种方式下，CPU是采用地址的不同来区分访问的是外设还是存储器的。

(2)独立编址：I/O设备和主存储器的地址空间相互独立，CPU使用专门的I/O指令来访问外设。

程序查询时，CPU既可以进行串行点名，也可以进行并行查询。

(1)串行点名：CPU依次对所有的外设进行查询，不过每次只查询一台。

(2)并行查询：对各个外设的状态位集中起来，由CPU通过一个专用的端口来读取，每次可以同时查询多个外设的状态。

2.程序中断方式

在I/O控制中引入中断，是为了解决"程序控制输入输出"方法中CPU低效等待的缺陷。采用该机制，它将无须定期查询I/O系统的状态，而可以抽身处理其他途径。当I/O系统完成后，则以中断信号通知CPU,之后CPU保存正在执行程序的现场(包括程序计数器PC,记住执行到哪个指令)，然后转入I/O中断服务程序完成数据交换。而收到中断请求后，停止正在执行的代码，保存现场的时间称之为中断响应时间，这个时间应该尽可能短。

在系统中有多个中断源时，常见的处理方法包括如下所示：

(1)多中断信号线法：就是给每个中断源"拉一根电话线",做到专线专用。

(2)中断软件查询法：CPU收到中断后转到中断服务程序，由该程序来确认中断源。

(3)雏菊链法：硬件查询法，所有的I/O模块共享一条共同的中断请求线。

(4)总线仲裁法：一个I/O设备在发出中断请求前，必须先获得总线控制权。由总线仲裁机制来决定谁有权发出中断信号。

(5)中断向量表法：中断向量表用来保存各个中断源的中断服务程序的入口地址，当外设发出中断后，由中断控制器确定其中继号。

3.DMA方式

中断法虽然比程序控制法要更加有效，但由于都是由软件来完成工作的，因此难以满足高速传输的要求。而DMA方式则使用DMA控制器来控制和管理数据传输。DMAC与CPU共享系统总线，并且具有可以独立访问存储器的能力。

在进行DMA时，CPU放弃对系统总线的控制，改由DMAC控制总线;由DMAC提供存储器地址及必须的读写控制信号，实现外设与存储器的数据交换。

(1)向CPU申请DMA传送。

(2)获得CPU允许后，DMA控制器接管系统总线的控制权。

(3)在DMA控制器的控制下，在存储器和外设之间进行数据传送，在传送过程中无须CPU参与，开始时需要提供传送数据的长度和起始地址。

(4)传送结束后，向CPU返回DMA操作完成信号。

DMAC获取系统总线的控制权可以采用暂停方式(CPU交出控制权到DMA操作结束)、周期窃取方式(CPU空闲时暂时放弃总线时，插入一个DMA周期)、共享方式(CPU不使用系统总线时，由DMAC来进行DMA传输)。