中斷方式與輪詢方式比較

中斷的基本概念

程序中斷通常簡(jiǎn)稱中斷，是指CPU在正常運(yùn)行程序的過(guò)程中，由于預(yù)選安排或發(fā)生了各種隨機(jī)的內(nèi)部或外部事件，使CPU中斷正在運(yùn)行的程序，而轉(zhuǎn)到為相應(yīng)的服務(wù)程序去處理，這個(gè)過(guò)程稱為程序中斷。

二、80x86微處理器的中斷80x86微處理器的中斷類型一般分為2類，即由于執(zhí)行某些指令引起的軟中斷和由處理器以外其他控制電路發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)引起的硬中斷。CPU要從主程序轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，必須知道該中斷服務(wù)程序的入口地址，即中斷向量。80x86為CPU的PC機(jī)共有256個(gè)中斷向量。

中斷的一般過(guò)程:

主程序只是在設(shè)備A，B，C數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時(shí)，才去處理A，B，C，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在速度較慢的外圍設(shè)備準(zhǔn)備自己的數(shù)據(jù)時(shí)，CPU照常執(zhí)行自己的主程序。在這個(gè)意義上說(shuō)，CPU和外圍設(shè)備的一些操作是并行地進(jìn)行的，因而同串行進(jìn)行的程序查詢方式相比，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率是大大提高了。如下圖：

實(shí)際的中斷過(guò)程還要復(fù)雜一些，下圖示出了中斷處理過(guò)程的詳細(xì)流程圖．當(dāng)CPU執(zhí)行完—條現(xiàn)行指令時(shí)，如果外設(shè)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求、那么CPU在滿足響應(yīng)條件的情況下，將發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)，與此同時(shí)關(guān)閉中斷(“中斷屏蔽”觸發(fā)器置“1”)，表示CPU不再受理另外—個(gè)設(shè)備的中斷。這時(shí)、CPU將尋找中斷請(qǐng)求源是哪個(gè)設(shè)備。并保存CPU自己的程序計(jì)數(shù)器(Pc)的內(nèi)容．然后，它將轉(zhuǎn)移到處理該中斷源的中斷服務(wù)程序．CPU在保存現(xiàn)場(chǎng)信息，設(shè)備(如文換數(shù)據(jù))以后．將恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)信息．在這些動(dòng)作完成以后，開放中斷(“中斷屏蔽”觸發(fā)器置‘o”)，并返網(wǎng)到原來(lái)被中斷的主程序的下一條指令。

(1)盡管外界中斷請(qǐng)求是隨機(jī)的，但CPU只有在當(dāng)前一條指令執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入公操作時(shí)才受理設(shè)備的中斷請(qǐng)求，這樣才不致于使當(dāng)前指令的執(zhí)行受到干擾。公操作是指一條指令執(zhí)行結(jié)束后CPU所進(jìn)行的操作，如中斷處理、直接內(nèi)存?zhèn)魉?、取下條指令等。外界中斷請(qǐng)求信號(hào)通常存放在接口中的中斷源鎖存器里，并通過(guò)中斷請(qǐng)求線連至CPU，每當(dāng)一條指令執(zhí)行到末尾，CPU便檢查中斷請(qǐng)求信號(hào)。若中斷請(qǐng)求信號(hào)為“1”，則CPU轉(zhuǎn)入“中斷周期”，受理外界中斷。(2)為了在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢以后正確地返回到原來(lái)主程序被中斷的斷點(diǎn)(PC內(nèi)容)而繼續(xù)執(zhí)行主程序，必須把程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容，以及當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束后CPU的狀態(tài)(包括寄存器的內(nèi)容和一些狀態(tài)標(biāo)志位)都保存到堆棧中去。這些操作叫做保存現(xiàn)場(chǎng)。(3)當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后，正要去執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，可能有另一個(gè)新的中斷源向它發(fā)出中斷請(qǐng)求。為了不致造成混亂，在CPU的中斷管理部件中必須有一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器，它可以在程序的控制下置“1”(設(shè)置屏蔽)，或置“0”(取掉屏蔽)。只有在中斷屏蔽標(biāo)志為“0”時(shí)，CPU才可以受理中斷。當(dāng)一條指令執(zhí)行完畢CPU接受中斷請(qǐng)求并作出響應(yīng)時(shí)，它一方面發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)INTA，另一方面把中斷屏蔽標(biāo)志置“1”，即關(guān)閉中斷。這樣，CPU不能再受理另外的新的中斷源發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求。只有在CPU把中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢以后，它才重新使中斷屏蔽標(biāo)志置“0”，即開放中斷，并返回主程序。因此，中斷服務(wù)程序的最后必須有兩條指令，即開中斷指令和返主指令，同時(shí)在硬件上要保證返主指令執(zhí)行以后才受理新的中斷請(qǐng)求。(4)中斷處理過(guò)程是由硬件和軟件結(jié)合來(lái)完成的。如在前圖中，中斷周期由硬件實(shí)現(xiàn)，而中斷服務(wù)程序由機(jī)器指令序列實(shí)現(xiàn)。后者除執(zhí)行保存現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、開放中斷并返回主程序任務(wù)外，對(duì)要求中斷的設(shè)備進(jìn)行服務(wù)，使其同CPU交換一個(gè)字的數(shù)據(jù)，或作其他服務(wù)。

輪詢方式的基本概念

輪詢(Polling)I／O方式或程序控制I／O方式，是讓CPU以一定的周期按次序查詢每一個(gè)外設(shè)，看它是否有數(shù)據(jù)輸入或輸出的要求，若有，則進(jìn)行相應(yīng)的輸入／輸出服務(wù)；若無(wú)，或I／O處理完畢柏，CPU就接著查詢下一個(gè)外設(shè)。

所需硬件：外設(shè)接口提供狀態(tài)端口、數(shù)據(jù)端口

軟件機(jī)制：應(yīng)用程序必須定時(shí)查詢各個(gè)接口的狀態(tài)端口，判斷是否需要輸入、輸出數(shù)據(jù)，如果需要，則通過(guò)數(shù)據(jù)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

特點(diǎn)：CPU通過(guò)執(zhí)行指令主動(dòng)對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行查詢，外部設(shè)備處于被動(dòng)地位。

上圖為一般過(guò)程。

輪詢方式與中斷方式的比較

速度

程序控制方式：

硬件的速度指標(biāo)：由于“程序控制方式”完全采用軟件的方式對(duì)外設(shè)接口進(jìn)行控制，所以它的硬件操作只是普通的端口讀寫，并無(wú)特別之處，其速度指標(biāo)由總線傳輸速度、端口的響應(yīng)速度共同決定。

對(duì)于這種外設(shè)控制方式，速度指標(biāo)關(guān)鍵在于軟件。

中斷處理方式：

中斷處理方式本身所作的原子操作解釋和程序控制方式是一致的。

只不過(guò)因?yàn)榧尤肓酥袛嗾?qǐng)求和響應(yīng)機(jī)制，對(duì)狀態(tài)端口的讀取變成了在中斷響應(yīng)過(guò)程中對(duì)中斷號(hào)的讀取，對(duì)狀態(tài)端口的判斷變成了對(duì)中斷入口地址的確定。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，中斷處理方式和程序控制方式本身的速度指標(biāo)一致，沒(méi)有大的差別。

可靠性

程序控制方式：

由于硬件不支持中斷方式，因此操作系統(tǒng)把CPU控制權(quán)交給應(yīng)用程序后，只要應(yīng)用程序不交還CPU控制權(quán)，操作系統(tǒng)就始終不能恢復(fù)對(duì)CPU的控制（無(wú)定時(shí)中斷）。應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)都是軟件模塊，操作系統(tǒng)屬于核心模塊，它們之間存在交接CPU控制權(quán)的關(guān)系。正是由于這樣的關(guān)系，一旦使用對(duì)外設(shè)的“程序控制方式”時(shí)，應(yīng)用程序出現(xiàn)死鎖，則操作系統(tǒng)永遠(yuǎn)無(wú)法恢復(fù)對(duì)系統(tǒng)的控制。應(yīng)用程序的故障通過(guò)外設(shè)控制方式波及到作為核心模塊的操作系統(tǒng)，因此，根據(jù)關(guān)聯(lián)可靠性指標(biāo)的計(jì)算可知，“程序控制方式”的關(guān)聯(lián)可靠性指標(biāo)很低。

中斷處理方式：

由于提供定時(shí)中斷，操作系統(tǒng)可以在應(yīng)用程序當(dāng)前時(shí)間片結(jié)束后通過(guò)中斷服務(wù)程序重新獲得對(duì)CPU的控制權(quán)。應(yīng)用程序的故障不會(huì)波及到操作系統(tǒng)，因此，中斷處理方式的關(guān)聯(lián)可靠性指標(biāo)高。

可擴(kuò)展性

程序控制方式：

由于所有應(yīng)用程序中都包含對(duì)端口的操作，一旦硬件接口的設(shè)計(jì)發(fā)生變化，則所有應(yīng)用程序都必須進(jìn)行修改，這會(huì)使修改費(fèi)用升高很多倍。因此，程序控制方式會(huì)使相關(guān)硬件模塊的局部修改指標(biāo)相對(duì)較低。

中斷處理方式：

應(yīng)用程序不直接操作端口，對(duì)端口的操作是由中斷服務(wù)程序來(lái)完成的。如果某個(gè)硬件接口的設(shè)計(jì)發(fā)生了變化，只需要修改它相關(guān)的中斷服務(wù)程序即可。因此，中斷處理方式使得相關(guān)硬件模塊的局部修改指標(biāo)較高。

生命期

“程序控制方式”（CPU查詢方式）在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中能夠滿足應(yīng)用需求；但是隨著外部設(shè)備種類的增多、速度差異的加大，這種方式逐漸成為系統(tǒng)性能提高的障礙。它的生命期只限于早期計(jì)算機(jī)階段，因?yàn)楫?dāng)時(shí)外部設(shè)備少，且都是低速設(shè)備，到8位機(jī)出現(xiàn)以后，這種外設(shè)控制方式（體系結(jié)構(gòu)）被淘汰。

“中斷處理方式”（外設(shè)請(qǐng)求方式）能夠協(xié)調(diào)CPU與外設(shè)間的速度差異，能夠協(xié)調(diào)各種外設(shè)間的速度差異，提高系統(tǒng)的工作效率（速度指標(biāo)）。使應(yīng)用程序與外設(shè)操作基本脫離開來(lái)，降低了程序的設(shè)備相關(guān)性（關(guān)聯(lián)可靠性指標(biāo)、局部修改指標(biāo)）。雖然目前某些快速設(shè)備相互間的通信沒(méi)有通過(guò)CPU，也沒(méi)有使用中斷處理方式，但是對(duì)于慢速設(shè)備、設(shè)備故障的處理來(lái)說(shuō)，中斷處理方式仍然是最有效的。無(wú)論將來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的元件怎樣變化，只要存在慢速設(shè)備與快速CPU之間的矛盾，使用中斷處理方式都是適合的。即便不使用中斷服務(wù)程序，中斷的概念也會(huì)保持很久。在短時(shí)期內(nèi)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還無(wú)法在所有領(lǐng)域離開人工交互操作，人的操作速度一定比機(jī)器的處理速度慢，因此慢速設(shè)備將仍然保持存在（但這不是慢速設(shè)備存在的唯一原因）。正因?yàn)榇嬖谶@樣的需求，中斷處理方式具有較長(zhǎng)的生命期。