CPU与硬件交互方式：轮询、中断与DMA

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引言

在嵌入式系统与计算机体系结构中，CPU与硬件设备的交互方式直接决定了系统的效率、实时性和资源利用率。本文将从理论到实践，深度解析轮询（Polling）、中断（Interrupt）和直接内存访问（DMA）三种核心交互方式，并结合Exynos4412平台的GPIO中断编程实例，为开发者提供全面的技术指南。

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一、CPU与硬件交互的核心方式

1. 轮询（Polling）

原理
轮询是一种基于“主动探测”的交互方式。CPU周期性地查询硬件设备的状态寄存器，判断设备是否需要服务。若需要，则立即处理；若不需要，则继续执行其他任务，并在固定时间间隔后重新查询。

工作流程

1. CPU初始化硬件设备。
2. 进入主循环，定期读取设备状态寄存器。
3. 根据状态寄存器的标志位判断是否需要处理数据。
4. 若需要处理，执行服务程序；否则继续轮询。

优缺点

• 优点：实现简单，无需复杂的中断控制器支持。

缺点

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• 高CPU占用率：频繁查询导致资源浪费。
• 低实时性：响应延迟取决于轮询周期，无法处理紧急事件。

适用场景

• 对实时性要求不高的简单设备（如低速传感器）。
• 系统资源充足且设备数量较少的情况。

实验案例：轮询方式实现按键检测
在Exynos4412平台上，可通过轮询GPIO引脚电平实现按键检测：

c

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while(1) {
    if (GPIO_ReadPin(KEY_PIN) == LOW) {  // 查询按键状态
        handle_key_press();              // 处理按键事件
        delay(100);                      // 防抖及避免重复触发
    }
}

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2. 中断（Interrupt）

原理
中断是一种“被动响应”机制。硬件设备在需要服务时主动向CPU发送中断信号，CPU暂停当前任务，转而执行中断服务程序（ISR），处理完成后恢复原任务。

工作流程

1. 硬件设备触发中断信号（如GPIO电平变化）。
2. CPU保存当前上下文（寄存器、程序计数器等）。
3. 跳转到中断服务程序（ISR）执行设备服务。
4. ISR执行完成后恢复上下文，继续原任务。

核心组件

• 中断控制器：管理多个中断源，处理优先级和屏蔽。
• 中断向量表：存储ISR入口地址的数组。
• 状态寄存器：标志位指示中断请求（IRQ）状态。

优缺点

优点

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• 高实时性：即时响应硬件事件。

• 低CPU占用：仅在需要时处理，避免空转。

缺点

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• 实现复杂：需配置中断控制器和编写ISR。
• 上下文切换开销：频繁中断可能影响系统吞吐量。

Exynos4412的GPIO中断配置

1. 使能GPIO中断功能：配置GPIO控制器寄存器（如EXT_INT_CON）。
2. 设置触发方式：选择边沿触发（上升沿/下降沿）或电平触发。
3. 注册ISR：将自定义中断处理函数绑定到中断向量。
4. 全局中断使能：开启CPU的中断响应（如CPSR寄存器的I位）。

代码片段

c

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void key_isr(void) {
    if (EXT_INT_PEND & KEY_INT_FLAG) {  // 检查中断标志
        handle_key_press();             // 处理按键
        EXT_INT_PEND = KEY_INT_FLAG;    // 清除中断标志
    }
}

int main() {
    GPIO_Config(KEY_PIN, INPUT_PULLUP); // 配置GPIO为输入
    set_interrupt_handler(IRQ_GPIO, key_isr); // 注册ISR
    enable_irq();                       // 开启全局中断
    while(1);                           // 主循环等待中断
}

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3. 直接内存访问（DMA）

原理
DMA允许硬件设备直接与内存交换数据，无需CPU介入。DMA控制器接管总线控制权，完成数据传输后通知CPU。

工作流程

1. CPU初始化DMA控制器，设置源地址、目标地址和数据长度。
2. 设备触发DMA请求（如ADC完成数据采集）。
3. DMA控制器启动传输，占用总线。
4. 传输完成后，DMA发送中断通知CPU。

优缺点

优点

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• 极低CPU占用：释放CPU处理核心任务。

• 高速传输：适用于大数据块（如视频流、音频数据）。

缺点

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• 硬件依赖：需设备支持DMA控制器。
• 配置复杂：需管理内存地址对齐和总线冲突。

应用场景

• 高吞吐量数据传输（如网络包处理、磁盘I/O）。
• 实时音视频处理（摄像头、麦克风数据流）。

案例：DMA实现UART通信
在STM32平台中，可通过DMA自动接收串口数据：

c

Copy

DMA_Config(UART_RX_DMA_CH, &UART->DR, rx_buffer, BUFFER_SIZE);
UART->CR3 |= USART_CR3_DMAR;  // 使能DMA接收

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二、三种交互方式的对比分析

特性	轮询	中断	DMA
CPU占用率	高（持续轮询）	中（仅响应中断）	低（仅初始化）
实时性	低	高	取决于DMA传输速度
实现复杂度	简单	中等	复杂
适用场景	低速设备、简单系统	中等频率事件（如按键）	高速数据传输（如SSD）

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三、扩展：现代硬件交互技术演进

1. 硬件加速器
   • GPU、NPU等专用处理器通过异构计算分担CPU负载。
   • 案例：AI推理任务卸载到NPU，CPU仅调度任务。
2. 中断负载均衡
   • 多核系统中，中断可绑定到特定CPU核心，避免竞争。
   • Linux内核支持irqbalance服务优化中断分配。
3. RDMA（远程直接内存访问）
   • 网络数据传输绕过CPU，直接访问远程内存。
   • 应用于高性能计算（HPC）和分布式存储。

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四、实战：Exynos4412的GPIO中断编程详解

1. 寄存器配置
   • EXT_INT_CON：设置中断触发方式（边沿/电平）。
   • EXT_INT_MASK：控制中断使能或屏蔽。
   • EXT_INT_PEND：清除中断挂起标志。
2. 中断服务程序设计要点
   • 短小精悍：避免长时间阻塞其他中断。
   • 异步处理：将耗时操作移至任务队列或线程。
   • 原子操作：使用内存屏障确保寄存器操作顺序。
3. 调试技巧
   • 利用逻辑分析仪捕捉中断信号时序。
   • 通过printf输出调试信息（需注意ISR中避免阻塞）。

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五、总结与展望

CPU与硬件的交互设计是系统性能优化的核心课题。轮询、中断和DMA三者各有优劣，开发者需根据具体场景灵活选择：

• 实时控制优先采用中断（如机器人舵机控制）。
• 大数据传输必须依赖DMA（如4K视频采集）。
• 简单原型开发可先用轮询快速验证功能。

未来，随着RISC-V架构的普及和硬件虚拟化技术的发展，交互方式将更加多样化。例如，硬件辅助虚拟化支持VM直接访问设备（如SR-IOV），而AI芯片的兴起将进一步推动异构计算与新型交互模式的融合。