考研全科复习资料

408 > ### 计算机组成原理 > #### 程序查询方式

一、定位信息

项目	内容
知识单元编号	CO-06-05
所属章节	第六章总线与I/O系统
核心主题	程序查询方式的工作原理、流程与特点
考试权重	★★☆（基础考点，常与其他I/O方式对比出题）
前置知识	CO-06-04 I/O接口
后续衔接	CO-06-06 中断方式、CO-06-07 DMA方式

二、知识点讲解

2.1 程序查询方式的基本概念

程序查询方式（Programmed I/O） 又称程序控制I/O方式或轮询方式，是最基本的I/O数据传送方式。在这种方式下，CPU通过执行程序不断查询外设的状态，当检测到外设"就绪"时，CPU才执行数据传送操作。

其核心思想是：CPU主动询问，外设被动等待。CPU在整个I/O过程中始终参与，不能做其他工作。

2.2 程序查询方式的工作流程

程序查询方式的典型工作流程如下：

┌─────────────────┐
│  CPU发出设备地址  │ ← 选择要查询的设备
│  和读/写命令     │
└────────┬────────┘
         │
         ▼
┌─────────────────┐
│  CPU读取状态寄存器│ ← 查询设备状态
└────────┬────────┘
         │
         ▼
┌─────────────────┐
│   设备就绪？     │
│  是 → 执行数据传送│
│  否 → 继续轮询   │ ← 忙等待（Busy Waiting）
└────────┬────────┘
         │
         ▼
┌─────────────────┐
│  传送完成？      │
│  是 → 结束       │
│  否 → 返回查询   │
└─────────────────┘

详细步骤：

CPU发出设备选择信号：通过地址总线发送设备地址，选中目标设备接口
CPU发出命令字：通过控制总线发送读/写命令到接口的控制寄存器
CPU读取状态寄存器：通过数据总线读取接口的状态寄存器内容
判断设备状态：检查"就绪位"（Ready）是否为1
若未就绪：返回步骤3继续轮询（忙等待）
若就绪：CPU执行数据传送（从数据缓冲寄存器读取或写入数据）
判断是否完成：若还有数据要传送，返回步骤3；否则结束

2.3 程序查询方式的特点

优点：

实现简单，不需要额外的硬件支持
控制逻辑简单，易于理解和编程
可靠性高，数据传送完全由程序控制

缺点：

CPU利用率极低：CPU在轮询等待期间不能执行其他任务，大量时间浪费在查询状态上
实时性差：外设准备好后必须等待CPU查询到才能传送，不能及时响应
不适合多设备环境：CPU需要逐一查询各设备，设备越多，每个设备的响应延迟越大
不能处理紧急事件：低优先级的设备查询可能延迟高优先级设备的响应

2.4 程序查询方式的适用场景

CPU速度远高于外设速度，且外设数量少
对实时性要求不高的简单系统
嵌入式系统中简单的I/O控制
作为理解其他I/O方式的基础

2.5 程序查询方式的效率分析

设：

T_query = 一次状态查询的时间
T_transfer = 一次数据传送的时间
T_device = 外设准备好一次数据的时间

则 CPU 用于数据传送的时间占比为：

$CPU效率 = \frac{T_{transfer}}{T_{query} \times N + T_{transfer}}$

其中 N 是查询次数（取决于外设速度与查询速度的比值）。通常 N 很大，导致CPU效率极低。

三、记忆辅助

程序查询 = "CPU自己问"：CPU主动轮询设备状态，设备准备好就传，没准备好就一直问。CPU全程参与，不能干别的。
核心缺点一句话："CPU忙着问，没空干别的" → CPU利用率低、实时性差。
工作流程三步循环："发命令→读状态→判断就绪"，不就绪就一直循环。
与中断方式对比：程序查询是"我去找你"，中断方式是"你来找我"。

四、例题精解

例题1

题目：某系统采用程序查询方式从磁盘读取数据。磁盘每次传输一个扇区（512字节），磁盘转速为7200转/分，平均寻道时间为8ms。CPU查询一次状态需要1μs，数据传送一次（1字节）需要0.5μs。求CPU读取一个扇区数据的效率（CPU用于数据传送的时间占总时间的比例）。

四步解题：

Step 1 审题：程序查询方式，读取512字节，磁盘参数已知，求CPU效率。

Step 2 知识定位：程序查询方式下，CPU在等待期间不断查询状态，效率 = 数据传送时间 / 总时间。

Step 3 计算：

磁盘等待时间（旋转延迟）：

转速 7200转/分 = 120转/秒
平均旋转延迟 = 1/(2×120) ≈ 4.17ms

总等待时间（不含数据传送）：

寻道时间 + 旋转延迟 = 8ms + 4.17ms = 12.17ms

查询次数估算：

等待期间查询次数 = 12.17ms / 1μs = 12170次
查询总时间 = 12170 × 1μs = 12.17ms

数据传送时间：

512字节 × 0.5μs/字节 = 256μs = 0.256ms

CPU效率 = 数据传送时间 / (查询时间 + 传送时间) = 0.256ms / (12.17ms + 0.256ms) = 0.256 / 12.426 ≈ 2.06%

Step 4 答案：CPU效率约为 2.06%，说明程序查询方式下CPU绝大部分时间在"忙等待"，效率极低。

例题2

题目：某系统有两个外设A和B，采用程序查询方式进行I/O。设备A每10ms准备好一个数据，设备B每5ms准备好一个数据。CPU查询每个设备需要1μs，数据传送需要2μs。若CPU轮流查询A和B，求：(1) 设备A和设备B的最大响应延迟；(2) 这种方式有何问题？

四步解题：

Step 1 审题：两设备轮流查询，分析响应延迟。

Step 2 知识定位：程序查询方式下，设备准备好后必须等到CPU查询到它时才能传送数据。

Step 3 分析：

一个完整查询周期 = 查询A + 传送A(若就绪) + 查询B + 传送B(若就绪)

最坏情况（都就绪）：1μs + 2μs + 1μs + 2μs = 6μs
最好情况（都不就绪）：1μs + 1μs = 2μs

设备A的最大响应延迟 = 从A准备好到CPU下次查询A的时间

最坏情况：A刚好在CPU查询完A之后准备好，需要等待一个完整周期
最大延迟 ≈ 一个查询周期 ≈ 6μs（远小于A的10ms数据间隔，可接受）

设备B的最大响应延迟：

最大延迟 ≈ 6μs（同理，远小于B的5ms数据间隔）

问题分析：

在设备数量增加时，查询周期变长，每个设备的响应延迟增大
如果有100个设备，最坏情况下响应延迟可能达到几百微秒
CPU效率随设备数量增加而降低

Step 4 答案： (1) 设备A和B的最大响应延迟均约为 6μs（一个完整查询周期） (2) 问题：设备数量增加时，查询周期变长，响应延迟增大；CPU效率进一步降低；不适合大量高速设备。

五、考情分析

维度	分析
出题频率	近10年约出现5-6次
题型	选择题（特点辨析）、计算题（效率分析）
难度	★★☆（概念简单，计算需细心）
考查重点	程序查询的工作流程；CPU效率计算；与中断方式的对比
命题趋势	常与中断、DMA方式对比出综合题

六、易错点

程序查询≠程序中断：两者都是程序控制的I/O方式，但程序查询是CPU主动轮询，中断是设备主动通知CPU。关键词区别：查询→"轮询/忙等待"；中断→"中断请求/中断服务"。
CPU效率低的根源：不是因为数据传送慢，而是因为等待期间CPU在不断查询状态（忙等待），这些查询时间是"浪费"的。
查询次数的计算：查询次数 = 外设准备时间 / 单次查询时间。这个数字通常很大（上万次），是效率低的直接原因。
程序查询方式的"实时性差"：不是说数据传得慢，而是说设备准备好后不能立即被CPU响应，必须等到CPU查询到它。

七、来源标注

来源	说明
《计算机组成原理》（唐朔飞）	第8章 I/O系统，程序查询方式
《计算机组成原理》（蒋本珊）	第7章程序查询方式
408统考大纲	第六章总线与I/O系统 - 程序查询方式
历年真题	2010/2013/2016/2019年相关题目

408 > ### 计算机组成原理 > #### 程序查询方式 ​

一、定位信息 ​

二、知识点讲解 ​

2.1 程序查询方式的基本概念 ​

2.2 程序查询方式的工作流程 ​

2.3 程序查询方式的特点 ​

2.4 程序查询方式的适用场景 ​

2.5 程序查询方式的效率分析 ​

三、记忆辅助 ​

四、例题精解 ​

例题1 ​

例题2 ​

五、考情分析 ​

六、易错点 ​

七、来源标注 ​