I/O接口的作用

主机与外界交换信息称为输入／输出（I/O）。主机与外界的信息交换是通过输入/输出设备进行的。一般的输入/输出设备都是机械的或机电相结合的产物，比如常规的外设有键盘、显示器、打印机、扫描仪、磁盘机、鼠标器等，它们相对于高速的中央处理器来说，速度要慢得多。此外，不同外设的信号形式、数据格式也各不相同。因此，外部设备不能与CPU直接相连，需要通过相应的电路来完成它们之间的速度匹配、信号转换，并完成某些控制功能。通常把介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口(Interface)，如图7.1所示。对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O接口记忆了主机送给外设的一切命令和数据，从而使主机与外设之间协调一致地工作。
对于微型计算机来说，设计微处理器CPU时，并不设计它与外设之间的接口部分，而是将输入/输出设备的接口电路设计成相对独立的部件，通过它们将各种类型的外设与CPU连接起来构成完整的微型计算机硬件系统。 所以，一台微型计算机的输入／输出系统应该包括I/O接口、I/O设备及相关的控制软件。一个微机系统的综合处理能力、系统的可靠性、兼容性、性能价格比、甚至在某个场合能否使用都和I/O系统有着密切的关系。输入/输出系统是计算机系统的重要组成部分之一，任何一台高性能计算机，如果没有高质量的输入/输出系统与之配合工作，计算机的高性能便无法发挥出来。
7.1.2 CPU与外设交换的信息
主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三类。
一．数据信息
数据信息又分为数字量、模拟量和开关量三种形式。
1． 数字量
数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。例如由键盘、显示器、打印机及磁盘等I/O外设与 CPU交换的信息，它们是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数符。
2． 模拟量
当计算机应用于控制系统中时，输入的信息一般为来自现场的连续变化的物理量，如温度、压力、流量、位移、湿度等，这些物理量通过传感器并经放大处理得到模拟电压或电流，这些模拟量必需先经过模拟量向数字量的转换（A／D转换）后才能输入计算机。反过来，计算机输出的控制信号都是数字量，也必须先经过数字量向模拟量的转换（D／A转换），把数字量转换成模拟量才能去控制现场。
3． 开关量
开关量可表示两个状态，如开关的断开和闭合，机器的运转与停止，阀门的打开与关闭等。这些开关量通常要经过相应的电平转换才能与计算机连接。开关量只要用一位二进数即可表示。
二．状态信息
状态信息作为CPU与外设之间交换数据时的联络信息，反映了当前外设所处的工作状态，是外设通过接口送往CPU的。CPU通过对外设状态信号的读取，可得知输入设备的数据是否准备好、输出设备是否空闲等情况。对于输入设备，一般用准备好(READY)信号的高低来表明待输入的数据是否准备就绪；对于输出设备，则用忙(BUSY)信号的高低表示输出设备是否处于空闲状态，如为空闲状态，则可接收CPU输出的信息，否则CPU要暂停送数。因此，状态信息能够保障CPU与外设正确进行数据交换。
三．控制信息
控制信息是CPU通过接口传送给外设的，CPU通过发送控制信息设置外设(包括接口)的工作模式、控制外设的工作。如外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息。实际上，控制信息往往随着外设的具体工作原理不同而含义不同。
虽然数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同，但在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换信息时，只能用输入指令(IN)和输出指令 (OUT)传送数据，所以状态信息、控制信息也是被作为数据信息来传送的，即把状态信息作为—种输入数据，而把控制信息作为一种输出数据，这样，状态信息和控制信息也通过数据总线来传送。但在接口中，这三种信息是在不同的寄存器中分别存放的。
7.1.3 I/O接口的基本结构
I/O接口的基本结构如图7.2所示。每个接口电路中都包含一组寄存器， CPU和外设进行信息交换时，各类信息在接口中存入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口，简称为口(Port)。用来保存CPU和外设之间传送的数据（如数字、字符及某种特定的编码等）、对输入/输出数据起缓冲作用的数据寄存器称为数据端口；用来存放外设或者接口部件本身状态的状态寄存器称为状态端口；用来存放CPU发往外设的控制命令的控制寄存器称为控制端口。
正如每个存储单元都有一个物理地址一样，每个端口也有一个地址与之相对应，该地址称为端口地址。有了端口地址，CPU对外设的输入／输出操作实际上就是对I/O接口中各端口的读／写操作。数据端口一般是双向的，数据是输入还是输出，取决于对该端口地址进行操作时CPU发往接口电路的读/写控制信号。由于状态端口只作输入操作、控制端口只作输出操作，所以，有时为了节省系统地址空间，在设计接口时往往将这两个端口共用一个端口地址，再用读／写信号来分别选择访问。
应该指出，输入/输出操作所用到的地址总是对端口而言，而不是对接口而言的。接口和端口是两个不同的概念，若干个端口加上相应的控制电路才构成接口。
7.1.4 I/O端口的编址
微型计算机系统中I/O端口编址方式有两种：即I/O端口与内存单元统一编址和 I/O端口与内存单元独立编址。
一．I/O端口与内存单元统一编址
这种编址方式，是对I/O端口和存储单元按照存储单元的编址方法统一编排地址号，由I/O端口地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址空间，例如，对于一个有16根地址线的微机系统，若采用统一编址方式，其地址空间的结构如图7.3所示。 采用统一编址方式后，CPU对I/O端口的输入/输出操作如同对存储单元的读/写操作一样，所有访问内存的指令同样都可用于访问I/O端口，因此无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计；同时，对存储器的各种寻址方式也同样适用于对I/O端口的访问，给使用者提供了很大的方便。但由于 I/O端口占用了一部分存储器地址空间，相对减少了内存的地址可用范围。
二．I/O端口与内存单元独立编址
在这种编址方式中，建立了两个地址空间，一个为内存地址空间，一个为I/O地址空间。内存地址空间和I/O地址空间是相对独立的，通过控制总线来确定CPU到底要访问内存还是I/O端口。为确保控制总线发出正确的信号，除了要有访问内存的指令之外，系统还要提供用于CPU与I/O端口之间进行数据传输的输入/输出指令。
80x86CPU组成的微机系统都采用独立编址方式。在8086/8088系统中，共有20根地址线对内存寻址，内存的地址范围是00000H～FFFFFH；用地址总线的低16位对I/O端口寻址，所以I/O端口的地址范围从 0000H～FFFFH，如图7.4所示。CPU在访问内存和外设时，使用了不同的控制信号来加以区分。例如，当8086CPU的M／IO信号为1时，表示地址总线上的地址是一个内存地址；为0时，则表示地址总线上的地址是一个端口地址。
采用独立编址方式后，存储器地址空间不受I/O端口地址空间影响，专用的输入／输出指令与访问存储器指令有明显区别，便于理解和检查。但是，专用I/O指令增加了指令系统复杂性，且I/O指令类型少，程序设计灵活性较差；此外，还要求CPU提供专门的控制信号以区分对存储器和I/O端口的操作，增加了控制逻辑的复杂性。
三、I/O端口的地址译码
微机系统常用的I/O接口电路一般都被设计成通用的I/O接口芯片，一个接口芯片内部可以有若干可寻址的端口。因此，所有接口芯片都有片选信号线和用于片内端口寻址的地址线。例如，某接口芯片内有四个端口地址，则该芯片外就会有两根地址线。本书第八章中将详细介绍几种常用的I/O接口芯片。
I/O端口地址译码的方法多样，一般的原则是把CPU用于I/O端口寻址的地址线分为高位地址线和低位地址线两部分，将低位地址线直接连到I/O接口芯片的相应地址引脚，实现片内寻址，即选中片内的端口；将高位地址线与CPU的控制信号组合，经地址译码电路产生I/O接口芯片的片选信号。