IO接口基础知识

一、基本概念

IO接口：CPU与IO设备之间的桥梁

1.IO接口分类

• 专业接口：连接专用设备，常用附加卡的形式来实现
• 通用接口：基本的输入输出接口，如并行口，串行口(外设和接口一侧)

2.IO接口组成

为了实现下图功能，IO接口通常由下面几部分组成

• 数据缓冲单元：暂存CPU和外设交换的数据
• 读写控制电路：接受CPU发出的命令，完成对接口内部寄存器的读写
• 命令/状态单元：命令单元存放CPU发给接口的命令信息，状态单元存放接口的工作状态信息供CPU查询

3.IO接口功能

1. 数据缓冲：实现高速CPU与慢速IO设备之间数据传送的同步
2. 转换数据格式：如串行和并行数据格式之间的转换
3. 信号量转换：如数字量与模拟量之间的转换
4. 定时/计时功能：满足总线对数据传送的时序要求
5. 进行地址译码和设备选择
6. 传送控制命令和状态信息

4.IO接口编址方式

实际上是对IO接口中的IO端口进行编址

有了端口地址，CPU对外设的输入输出操作归结为对接口芯片各端口的读写操作

• 统一编址：IO地址占用存储器的地址空间，无需专用的IO指令
• 独立编址：IO地址独立，不占用存储器空间，需要专业的IO指令来访问IO端口

5.IO数据传送的控制方式

1. 程序控制方式：输入输出操作完全在程序控制下执行，用IN和OUT指令直接访问IO端口，不管IO设备准没准备好，无条件传送数据
2. 查询方式：CPU使用指令查询IO接口状态，当IO接口准备好接受或发送数据时，数据传送才进行，否则CPU等待
3. 中断控制方式：各忙各的，当外设需要进行输入输出时，向CPU发中断信号，CPU处理
4. DMA控制方式(Direct Memory Access)：DMA控制器控制存储器与高速IO设备之间直接进行数据传送

6.为什么要用IO接口

外部设备为什么一定要通过接口和主机总线相连？能不能将外设和CPU的数据总线、地址总线、控制总线直接相连？

原因①：模拟量和数字量的转换

外设功能多种多样，输入输出检测控制等等，所使用的信息可能是数字量(大多数)，也可能是模拟量，如果是模拟量，需要通过A/D,D/A转换接口完成。

原因②：串行数据和并行数据的转换

外设的信息有串行有并行。串行设备只能收发串行信息，而CPU只能收发并行信息。这种双向转换需要串行接口来完成。

那并行外设是否可以不用接口呢？也不是。CPU要和多个外设打交道，而在同一时刻CPU通常只和一个外设交换信息，就是说，一个外设不能长期和CPU相连，只有被CPU选中的外设，才去收发数据总线。所以，即使是并行设备，也同样需要通过接口与总线相连。这种接口就是并行接口。

原因③：速度不匹配

接口可以对输入输出过程起一个缓冲和联络的作用

原因④：信号电平的大小不匹配

设置信号电平转换电路

原因⑤：时序不匹配

设置时序控制电路，来同步CPU与外设的工作

原因⑥：信号的驱动能力不够

二、CPU与外设交换的三种信息

三种信息都是通过数据总线传送。但在接口中，这三种信息进入不同的寄存器。

1.数据信息

①数字量

从键盘、磁盘驱动器等读入的信息或主机送给打印机、磁盘驱动器、显示器的信息。它们是二进制数据。

②模拟量

湿度、温度、压力、流量等等通过传感器先变成电压或电流，再经过放大，再经过A/D转换为数字量，送给计算器处理

③开关量

1位二进制数。电机的运转和停止，阀门的打开和关闭。

2.状态信息

反映外设的工作状态。READY或BUSY

3.控制信息

控制外设的启动和停止，工作方式等等。

三、接口与端口

• 接口中，不同的寄存器就叫IO端口，每个端口有一个地址
• 一般，接口中会有4个主要寄存器，即：数据输入寄存器，数据输出寄存器，控制寄存器，状态寄存器(数据端口、控制端口、状态端口)
• 从原则上说，对这4个寄存器可通过不同的地址来访问。不过，因为控制寄存器和数据输出寄存器是只写的，状态寄存器和数据输入寄存器是只读的，所以，可用读信号和写信号(1位)来区分这两组寄存器，再用1位地址来区分2个只读寄存器或两个只写寄存器。因此，4个寄存器只用两个端口地址