I/O 控制与可靠性专题 I/O & Reliability · 中断 DMA 通道 · 串并联
软考 · 软件设计师 ｜ 硬件 6 分里最后的洞｜ 希赛累计：I/O 控制 11（本模块最高）、可靠性 3、总线 2
CPU / 浮点 / Cache / 流水线 / 校验已经有页。本页只补那三块。2024 上 Q9 原卷是图，本页按选项 D 画等价示意图。
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① 四种 I/O：程序查询 CPU 空转死等；中断 CPU 干别的，设备好了再喊；DMA 成块搬、CPU 只管开头结尾；通道 = 专职 I/O 处理器，比 DMA 更独立。
② 中断向量 = 中断服务程序的入口地址（不是断点、不是设备地址）。
③ CPU 介入从多到少：查询 > 中断 > DMA > 通道。速度反过来：通道 / DMA 最快。
④ 系统总线连 CPU、主存、外设。片内总线才连运算器/寄存器。
⑤ 串联 R=R1×R2（一个挂全挂）。并联 R=1−(1−R1)(1−R2)（都挂才挂）。混联：先算并联块，再当一个元件去串。
⑥ 千小时可靠度：N 台跑 T 小时坏了 k 台 → 失效率 λ=k/(N×T)，千小时 R=1−1000λ。或 1000 小时里坏的比例直接 1−k/N（T 刚好 1000 时）。
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| 看见题干 | 闭眼选 |
|---|
| CPU 不断查设备好了没有 | 程序查询，效率低 |
| 中断向量提供什么 | 中断服务程序的入口地址 |
| CPU 只在传送开始和结束插手，中间成块搬 | DMA |
| DMA 传送期间谁管总线 | DMA 控制器，CPU 放弃总线 |
| 比 DMA 更独立、本身是处理器 | 通道 / IOP |
| 系统总线用来连接 | 主存和外设部件（以及 CPU） |
| 两个部件都好系统才好 | 串联，R=R1×R2 |
| 两个备份，一个活着就行 | 并联，R=1−(1−R1)(1−R2) |
| 中间两个并联、两头各一个串联 | R × (1−(1−R)²) × R |
① 四种传送方式 谁干活、CPU 管多宽
外设和内存搬数据，CPU 可以管得很多，也可以几乎不管。四种方式就是「CPU 放手到什么程度」。
| 程序查询 | 中断 | DMA | 通道 / IOP |
|---|
| 谁搬数据 | CPU 指令一条条搬 | 还是 CPU，但等设备喊才搬 | DMA 硬件成块搬 | 通道处理器执行通道程序 |
| CPU 在干什么 | 死循环问「好了没」 | 可以干别的；被打断后去跑服务程序 | 只在启动和结束过问；中间把总线让出去 | 几乎不管 I/O |
| 适合 | 很慢、很少的设备 | 键盘、慢速字符设备 | 磁盘等成块高速 | 大型机、很多设备 |
| 效率 | 最低 | 中 | 高 | 最高 |
程序查询还有个亲戚叫无条件传送：假定设备永远准备好，连问都不问。卷面少见。
🎯 CPU 介入从多到少：查询 > 中断 > DMA > 通道。速度反过来。看见「成块、不需要 CPU 干涉、只在开始和结束」闭眼 DMA。
② 中断
设备准备好 → 发中断请求 → CPU 做完当前指令 → 保存现场（把 PC 等推进栈）→ 转入中断服务程序 → 搬完数据 → 恢复现场接着跑原来的程序。
| 词 | 是什么 | 不是什么 |
|---|
| 中断向量 | 服务程序的入口地址（或用来形成入口地址） | 不是设备地址，不是主程序断点，不是数据起始地址 |
| 中断向量表 | 一张表，中断号 → 入口地址 | — |
| 断点 | 被打断时下一条指令的地址（在 PC 里，要保存） | 不是向量本身 |
| 中断嵌套 | 正在服务时来了更高优先级，先去伺候更急的 | 同级或更低的要等 |
多个中断源怎么认是谁：多根线、软件轮询、菊花链、总线仲裁、中断向量表（最常考）。
练一练 · 2023上 · 中断向量
2023上 中断向量
中断向量提供的是（ ）。
A. 中断源的设备地址
B. 中断服务程序的入口地址
C. 传递数据的起始地址
D. 主程序的断点地址
答案 B
向量表里存的就是「去哪执行服务程序」。断点是 PC 保存的现场，不是向量提供的。
③ DMA 和通道
DMA：内存 ↔ 外设成块直接搬。
| 步 | 发生什么 |
|---|
| 1 | 外设向 DMAC 请求 |
| 2 | DMAC 向 CPU 发 HOLD（请把总线让给我） |
| 3 | CPU 结束当前总线周期，回 HLDA，输出脚改高阻 = 放弃总线 |
| 4～5 | DMAC 管总线，自己发地址和控制信号，把这一块数据搬完 |
| 6 | 搬完撤 HOLD，CPU 拿回总线接着干活 |
DMA 期间 CPU 不能用总线（可以用缓存里已经有的东西做点运算，但访存不行）。
通道是带专用指令的 I/O 处理器（IOP）。CPU 只要丢给它一条通道程序，后面的排队、启动设备、收尾它自己干。比 DMA 更放手。
🎯 中断：CPU 还是搬运工，只是不用空等。DMA：搬运工换成硬件，CPU 当监工（开工、收工）。通道：请了专职物流公司。
三个对照常考：
| CPU 和外设能不能同时干活 | 谁搬数据 | 搬完怎么喊 CPU |
|---|
| 程序查询 | 不能，CPU 空转死等 | CPU 指令 | 不用喊，自己在轮询 |
| 中断 | 能。CPU 干别的，设备好了再打断 | 仍是 CPU 在服务程序里搬 | 设备发中断请求 |
| DMA | 能。搬的过程 CPU 不用插手 | DMA 控制器 | 整块搬完再发中断收工 |
中断是外部来的（设备、DMA 收工、键盘）。异常 / 内部中断是指令自己惹的：除零、缺页、非法指令。别把除零当成外设中断。
DMA 占总线的三种教材说法：停 CPU、总线周期分时、总线周期挪用（周期窃取）。卷面问「DMA 传送时谁管总线」→ DMA 控制器；CPU 当前总线周期结束才让出。
练一练 · 中断 / DMA 并行（历年原话高频）
2021下附近 · 高频原话 三种方式对照
以下关于程序查询方式、中断方式和 DMA 方式的叙述中，正确的是（ ）。
A. 程序查询方式下，CPU 与外设可以并行工作
B. 中断方式下，CPU 与外设可以并行工作
C. DMA 方式下，每传送一个数据都要打断 CPU
D. 中断方式下，数据传送不需要 CPU 执行程序
答案 B
查询在死等，A 错。中断：CPU 干别的，设备喊了才进来，所以能并行；但搬数据仍要跑服务程序，D 错。DMA 是成块搬，不是每个字节都打断 CPU，C 把 DMA 说成中断了。DMA 其实也能并行，但这题四个选项里只有 B 全对。
练一练 · 中断还是异常
2022上附近 · 高频 中断 ≠ 异常
下列事件中，属于异常（内部中断）而不是外设中断的是（ ）。
A. 打印机缺纸
B. 键盘有键按下
C. 除数为 0
D. DMA 传送结束
答案 C
A、B、D 都是外部设备来喊 CPU。除零是正在跑的指令自己惹的祸，走异常 / 内部中断入口。DMA 收工用的就是一次普通中断。
④ 总线（2 分）
| 总线 | 连接谁 |
|---|
| 系统总线 | CPU、主存、I/O 接口 / 外设 |
| 片内总线 | 运算器、控制器、寄存器（芯片里面） |
| 通信 / 外部总线 | 接口和外设、或设备之间 |
练一练 · 2023上 · 系统总线
2023上 总线
计算机中，系统总线用于（ ）连接。
A. 接口和外设
B. 运算器、控制器和寄存器
C. 主存和外设部件
D. DMA 控制器和中断控制器
答案 C
系统总线挂主机各大部件。B 是片内总线。A、D 更像外部/专用连接。
⑤ 可靠性（串并联）
可靠度 R = 规定时间内还不坏的概率。失效率 λ 很小且恒定时，短时间 R ≈ 1 − λt。
| 结构 | 公式 | 人话 |
|---|
| 串联 | R = R1 × R2 × … | 一条绳上的蚂蚱，一个断全断。越多越脆 |
| 并联 | R = 1 − (1−R1)(1−R2)… | 备份，全部挂才挂。两个相同：1−(1−R)² |
| 混联 | 先把并联块收成一个数，再当元件去串 | 从里往外收 |
N 台设备跑 T 小时，坏了 k 台：λ = k / (N×T)。千小时可靠度 = 1 − 1000λ。若 T 正好 1000，就是 1 − k/N。
练一练 · 2024上 · Q9（原卷有图）
2024上 Q9 混联
某系统由下图所示的冗余部件构成。若每个部件的千小时可靠度都为 R，则该系统的千小时可靠度为（9）。（原卷为框图。空白卷没有图。选项 D 对应「两头各一个串联、中间两个并联」。本页等价示意图，不是原卷截图：）
A. (1−(1−R)²)(1−R)
B. (1−R)² (1−R²)
C. R(1−R²)R
D. R(1−(1−R)²)R
答案 D
中间并联：1−(1−R)²。再和前后两个 R 串联：R × [1−(1−R)²] × R。C 把并联写成了 1−R²，那是另一回事。
练一练 · 2022下 · 千小时可靠度
2022下 失效率
某种部件用在 2000 台计算机系统中，运行工作 1000 小时后，其中有 4 台计算机的这种部件失效，则该部件的千小时可靠度 R 为（ ）。
A. 0.990 B. 0.992 C. 0.996 D. 0.998
答案 D
正好跑了 1000 小时，2000 台坏 4 台 → 千小时失效比例 4/2000=0.002，R=0.998。或 λ=4/(2000×1000)=2×10⁻⁶，1−1000λ=0.998。
真题索引
2021下 中断可并行 ·
2022上 除零是异常 ·
2022下 千小时 R ·
2023上 中断向量 ·
2023上 系统总线 ·
2024上 Q9 混联
2024 上 Q9 原卷是图。空白卷没有框图，本页按选项 D 的标准串并混联画等价示意图。CPU / 浮点 / Cache / 流水线 / 校验见其它专题，本页不重复。
本专题速记总收
① 查询死等；中断被喊再搬；DMA 成块、CPU 只开头结尾；通道是 I/O 处理器。
② 中断向量 = 服务程序入口地址。嵌套只让更高优先级打断。
③ DMA：HOLD 要总线，HLDA 让出，搬完还回去。
④ 系统总线连主存和外设。片内才连运算器寄存器。
⑤ 串联相乘；并联 1−Π(1−Ri)。千小时 R=1−k/N（跑满 1000 小时时）。