中斷方式與輪詢方式比較

中斷的基本概念

程序中斷通常簡稱中斷，是指CPU在正常運行程序的過程中，由于預選安排或發(fā)生了各種隨機的內(nèi)部或外部事件，使CPU中斷正在運行的程序，而轉到為相應的服務程序去處理，這個過程稱為程序中斷。

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)出中斷請求信號引起的硬中斷。CPU要從主程序轉入中斷服務程序，必須知道該中斷服務程序的入口地址，即中斷向量。80x86為CPU的PC機共有256個中斷向量。

中斷的一般過程:

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

實際的中斷過程還要復雜一些，下圖示出了中斷處理過程的詳細流程圖．當CPU執(zhí)行完—條現(xiàn)行指令時，如果外設向CPU發(fā)出中斷請求、那么CPU在滿足響應條件的情況下，將發(fā)出中斷響應信號，與此同時關閉中斷(“中斷屏蔽”觸發(fā)器置“1”)，表示CPU不再受理另外—個設備的中斷。這時、CPU將尋找中斷請求源是哪個設備。并保存CPU自己的程序計數(shù)器(Pc)的內(nèi)容．然后，它將轉移到處理該中斷源的中斷服務程序．CPU在保存現(xiàn)場信息，設備(如文換數(shù)據(jù))以后．將恢復現(xiàn)場信息．在這些動作完成以后，開放中斷(“中斷屏蔽”觸發(fā)器置‘o”)，并返網(wǎng)到原來被中斷的主程序的下一條指令。

(1)盡管外界中斷請求是隨機的，但CPU只有在當前一條指令執(zhí)行完畢后，即轉入公操作時才受理設備的中斷請求，這樣才不致于使當前指令的執(zhí)行受到干擾。公操作是指一條指令執(zhí)行結束后CPU所進行的操作，如中斷處理、直接內(nèi)存?zhèn)魉?、取下條指令等。外界中斷請求信號通常存放在接口中的中斷源鎖存器里，并通過中斷請求線連至CPU，每當一條指令執(zhí)行到末尾，CPU便檢查中斷請求信號。若中斷請求信號為“1”，則CPU轉入“中斷周期”，受理外界中斷。(2)為了在中斷服務程序執(zhí)行完畢以后正確地返回到原來主程序被中斷的斷點(PC內(nèi)容)而繼續(xù)執(zhí)行主程序，必須把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容，以及當前指令執(zhí)行結束后CPU的狀態(tài)(包括寄存器的內(nèi)容和一些狀態(tài)標志位)都保存到堆棧中去。這些操作叫做保存現(xiàn)場。(3)當CPU響應中斷后，正要去執(zhí)行中斷服務程序時，可能有另一個新的中斷源向它發(fā)出中斷請求。為了不致造成混亂，在CPU的中斷管理部件中必須有一個中斷屏蔽觸發(fā)器，它可以在程序的控制下置“1”(設置屏蔽)，或置“0”(取掉屏蔽)。只有在中斷屏蔽標志為“0”時，CPU才可以受理中斷。當一條指令執(zhí)行完畢CPU接受中斷請求并作出響應時，它一方面發(fā)出中斷響應信號INTA，另一方面把中斷屏蔽標志置“1”，即關閉中斷。這樣，CPU不能再受理另外的新的中斷源發(fā)來的中斷請求。只有在CPU把中斷服務程序執(zhí)行完畢以后，它才重新使中斷屏蔽標志置“0”，即開放中斷，并返回主程序。因此，中斷服務程序的最后必須有兩條指令，即開中斷指令和返主指令，同時在硬件上要保證返主指令執(zhí)行以后才受理新的中斷請求。(4)中斷處理過程是由硬件和軟件結合來完成的。如在前圖中，中斷周期由硬件實現(xiàn)，而中斷服務程序由機器指令序列實現(xiàn)。后者除執(zhí)行保存現(xiàn)場、恢復現(xiàn)場、開放中斷并返回主程序任務外，對要求中斷的設備進行服務，使其同CPU交換一個字的數(shù)據(jù)，或作其他服務。

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外設，看它是否有數(shù)據(jù)輸入或輸出的要求，若有，則進行相應的輸入／輸出服務；若無，或I／O處理完畢柏，CPU就接著查詢下一個外設。

所需硬件：外設接口提供狀態(tài)端口、數(shù)據(jù)端口

軟件機制：應用程序必須定時查詢各個接口的狀態(tài)端口，判斷是否需要輸入、輸出數(shù)據(jù)，如果需要，則通過數(shù)據(jù)端口進行數(shù)據(jù)操作。

特點：CPU通過執(zhí)行指令主動對外部設備進行查詢，外部設備處于被動地位。

上圖為一般過程。

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

對于這種外設控制方式，速度指標關鍵在于軟件。

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。

只不過因為加入了中斷請求和響應機制，對狀態(tài)端口的讀取變成了在中斷響應過程中對中斷號的讀取，對狀態(tài)端口的判斷變成了對中斷入口地址的確定。

從本質(zhì)上來說，中斷處理方式和程序控制方式本身的速度指標一致，沒有大的差別。

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控制權交給應用程序后，只要應用程序不交還CPU控制權，操作系統(tǒng)就始終不能恢復對CPU的控制（無定時中斷）。應用程序與操作系統(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控制權的關系。正是由于這樣的關系，一旦使用對外設的“程序控制方式”時，應用程序出現(xiàn)死鎖，則操作系統(tǒng)永遠無法恢復對系統(tǒng)的控制。應用程序的故障通過外設控制方式波及到作為核心模塊的操作系統(tǒng)，因此，根據(jù)關聯(lián)可靠性指標的計算可知，“程序控制方式”的關聯(lián)可靠性指標很低。

中斷處理方式：

由于提供定時中斷，操作系統(tǒng)可以在應用程序當前時間片結束后通過中斷服務程序重新獲得對CPU的控制權。應用程序的故障不會波及到操作系統(tǒng)，因此，中斷處理方式的關聯(lián)可靠性指標高。

可擴展性

程序控制方式：

由于所有應用程序中都包含對端口的操作，一旦硬件接口的設計發(fā)生變化，則所有應用程序都必須進行修改，這會使修改費用升高很多倍。因此，程序控制方式會使相關硬件模塊的局部修改指標相對較低。

中斷處理方式：

應用程序不直接操作端口，對端口的操作是由中斷服務程序來完成的。如果某個硬件接口的設計發(fā)生了變化，只需要修改它相關的中斷服務程序即可。因此，中斷處理方式使得相關硬件模塊的局部修改指標較高。

生命期

“程序控制方式”（CPU查詢方式）在早期的計算機系統(tǒng)中能夠滿足應用需求；但是隨著外部設備種類的增多、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算機階段，因為當時外部設備少，且都是低速設備，到8位機出現(xiàn)以后，這種外設控制方式（體系結構）被淘汰。

“中斷處理方式”（外設請求方式）能夠協(xié)調(diào)CPU與外設間的速度差異，能夠協(xié)調(diào)各種外設間的速度差異，提高系統(tǒng)的工作效率（速度指標）。使應用程序與外設操作基本脫離開來，降低了程序的設備相關性（關聯(lián)可靠性指標、局部修改指標）。雖然目前某些快速設備相互間的通信沒有通過CPU，也沒有使用中斷處理方式，但是對于慢速設備、設備故障的處理來說，中斷處理方式仍然是最有效的。無論將來計算機系統(tǒng)中的元件怎樣變化，只要存在慢速設備與快速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程序，中斷的概念也會保持很久。在短時期內(nèi)，計算機系統(tǒng)還無法在所有領域離開人工交互操作，人的操作速度一定比機器的處理速度慢，因此慢速設備將仍然保持存在（但這不是慢速設備存在的唯一原因）。正因為存在這樣的需求，中斷處理方式具有較長的生命期。