I/O接口基本功能

· 進(jìn)行端口地址譯碼設(shè)備選擇。

· 向CPU提供I/O設(shè)備的狀態(tài)信息和進(jìn)行命令譯碼。

· 進(jìn)行定時(shí)和相應(yīng)時(shí)序控制。

· 對(duì)傳送數(shù)據(jù)提供緩沖，以消除計(jì)算機(jī)與外設(shè)在"定時(shí)"或數(shù)據(jù)處理速度上的差異。

· 提供計(jì)算機(jī)與外設(shè)間有關(guān)信息格式的相容性變換。提供有關(guān)電氣的適配

· 還可以中斷方式實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間信息的交換。

包括硬件電路和軟件編程兩部分 硬件電路包括基本邏輯電路，端口譯碼 電路和供選電路等。軟件編程包括初始化程序段，傳送方式處理程序段，主控程序段程序終止與退出程序段及輔助程序段等.

I/O接口的功能是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)CPU通過(guò)系統(tǒng)總線把I/O電路和外圍設(shè)備聯(lián)系在一起，按照電路和設(shè)備的復(fù)雜程度，I/O接口的硬件主要分為兩大類:

(1)I/O接口芯片

這些芯片大都是集成電路，通過(guò)CPU輸入不同的命令和參數(shù)，并控制相關(guān)的I/O電路和簡(jiǎn)單的外設(shè)作相應(yīng)的操作，常見(jiàn)的接口芯片如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。

(2)I/O接口控制卡

有若干個(gè)集成電路按一定的邏輯組成為一個(gè)部件，或者直接與CPU同在主板上，或是一個(gè)插件插在系統(tǒng)總線插槽上。

按照接口的連接對(duì)象來(lái)分，又可以將他們分為串行接口、并行接口、鍵盤接口和磁盤接口等。

由于計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備品種繁多，幾乎都采用了機(jī)電傳動(dòng)設(shè)備，因此，CPU在與I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)存在以下問(wèn)題:

速度不匹配:I/O設(shè)備的工作速度要比CPU慢許多，而且由于種類的不 同，他們之間的速度差異也很大，例如硬盤的傳輸速度就要比打印機(jī)快出很多。

時(shí)序不匹配:各個(gè)I/O設(shè)備都有自己的定時(shí)控制電路，以自己的速度傳 輸數(shù)據(jù)，無(wú)法與CPU的時(shí)序取得統(tǒng)一。

信息格式不匹配:不同的I/O設(shè)備存儲(chǔ)和處理信息的格式不同，例如可以分為串行和并行兩種;也可以分為二進(jìn)制格式、ACSII編碼和BCD編碼等。

信息類型不匹配:不同I/O設(shè)備采用的信號(hào)類型不同，有些是數(shù)字信號(hào)，而 有些是模擬信號(hào)，因此所采用的處理方式也不同。

基于以上原因，CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換必須通過(guò)接口來(lái)完成，通常接口有以下一些功能:

(1)設(shè)置數(shù)據(jù)的寄存、緩沖邏輯，以適應(yīng)CPU與外設(shè)之間的速度差異，接口通常由一些寄存器或RAM芯片組成，如果芯片足夠大還可以實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的傳輸;

(2)能夠進(jìn)行信息格式的轉(zhuǎn)換，例如串行和并行的轉(zhuǎn)換;

(3)能夠協(xié)調(diào)CPU和外設(shè)兩者在信息的類型和電平的差異，如電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器、數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換器等;

(4)協(xié)調(diào)時(shí)序差異;

(5)地址譯碼和設(shè)備選擇功能;

(6)設(shè)置中斷和DMA控制邏輯，以保證在中斷和DMA允許的情況下產(chǎn)生中斷和DMA請(qǐng)求信號(hào)，并在接受到中斷和DMA應(yīng)答之后完成中斷處理和DMA傳輸。

CPU通過(guò)接口對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制的方式有以下幾種:

(1)程序查詢方式

這種方式下，CPU通過(guò)I/O指令詢問(wèn)指定外設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)，如果外設(shè)準(zhǔn)備就緒，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入或輸出，否則CPU等待，循環(huán)查詢。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要少量的硬件電路即可，缺點(diǎn)是由于CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低

(2)中斷處理方式

在這種方式下，CPU不再被動(dòng)等待，而是可以執(zhí)行其他程序，一旦外設(shè)為數(shù)據(jù)交換準(zhǔn)備就緒，可以向CPU提出服務(wù)請(qǐng)求，CPU如果響應(yīng)該請(qǐng)求，便暫時(shí)停止當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行與該請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序，完成后，再繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)被中斷的程序。

中斷處理方式的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，它不但為CPU省去了查詢外設(shè)狀態(tài)和等待外設(shè)就緒所花費(fèi)的時(shí)間，提高了CPU的工作效率，還滿足了外設(shè)的實(shí)時(shí)要求。但需要為每個(gè)I/O設(shè)備分配一個(gè)中斷請(qǐng)求號(hào)和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，此外還需要一個(gè)中斷控制器(I/O接口芯片)管理I/O設(shè)備提出的中斷請(qǐng)求，例如設(shè)置中斷屏蔽、中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)等。

此外，中斷處理方式的缺點(diǎn)是每傳送一個(gè)字符都要進(jìn)行中斷，啟動(dòng)中斷控制器，還要保留和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)以便能繼續(xù)原程序的執(zhí)行，花費(fèi)的工作量很大，這樣如果需要大量數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)的性能會(huì)很低。

(3)DMA(直接存儲(chǔ)器存取)傳送方式

DMA最明顯的一個(gè)特點(diǎn)是它不是用軟件而是采用一個(gè)專門的控制器來(lái)控制內(nèi)存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交流，無(wú)須CPU介入，大大提高CPU的工作效率。

在進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送之前，DMA控制器會(huì)向CPU申請(qǐng)總線控制 權(quán)，CPU如果允許，則將控制權(quán)交出，因此，在數(shù)據(jù)交換時(shí)，總線控制權(quán)由DMA控制器掌握，在傳輸結(jié)束后，DMA控制器將總線控制權(quán)交還給CPU。

(4)無(wú)條件傳送方式

(5)I/O通道方式

(6)I/O處理機(jī)方式

I/O接口的功能是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)CPU通過(guò)系統(tǒng)總線把I/O電路和外圍設(shè)備聯(lián)系在一起，按照電路和設(shè)備的復(fù)雜程度，I/O接口的硬件主要分為兩大類：

（1）I/O接口芯片

這些芯片大都是集成電路，通過(guò)CPU輸入不同的命令和參數(shù)，并控制相關(guān)的I/O電路和簡(jiǎn)單的外設(shè)作相應(yīng)的操作，常見(jiàn)的接口芯片如定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。

（2）I/O接口控制卡

由若干個(gè)集成電路按一定的邏輯組成為一個(gè)部件，或者直接與CPU同在主板上，或是一個(gè)插件插在系統(tǒng)總線插槽上。

按照接口的連接對(duì)象來(lái)分，又可以將他們分為串行接口、并行接口、鍵盤接口和磁盤接口等。

由于計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備品種繁多，幾乎都采用了機(jī)電傳動(dòng)設(shè)備，因此，CPU在與I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)存在以下問(wèn)題：

速度不匹配：I/O設(shè)備的工作速度要比CPU慢許多，而且由于種類的不同，他們之間的速度差異也很大，例如硬盤的傳輸速度就要比打印機(jī)快出很多。

時(shí)序不匹配：各個(gè)I/O設(shè)備都有自己的定時(shí)控制電路，以自己的速度傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)法與CPU的時(shí)序取得統(tǒng)一。

信息格式不匹配：不同的I/O設(shè)備存儲(chǔ)和處理信息的格式不同，例如可以分為串行和并行兩種；也可以分為二進(jìn)制格式、ASCII編碼和BCD編碼等。

信息類型不匹配：不同I/O設(shè)備采用的信號(hào)類型不同，有些是數(shù)字信號(hào)，而有些是模擬信號(hào)，因此所采用的處理方式也不同。

基于以上原因，CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換必須通過(guò)接口來(lái)完成，通常接口有以下一些功能：

（1）設(shè)置數(shù)據(jù)的寄存、緩沖邏輯，以適應(yīng)CPU與外設(shè)之間的速度差異，接口通常由一些寄存器或RAM芯片組成，如果芯片足夠大還可以實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的傳輸；

（2）能夠進(jìn)行信息格式的轉(zhuǎn)換，例如串行和并行的轉(zhuǎn)換；

（3）能夠協(xié)調(diào)CPU和外設(shè)兩者在信息的類型和電平的差異，如電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器、數(shù)?；蚰?shù)轉(zhuǎn)換器等；

（4）協(xié)調(diào)時(shí)序差異；

（5）地址譯碼和設(shè)備選擇功能；

（6）設(shè)置中斷和DMA控制邏輯，以保證在中斷和DMA允許的情況下產(chǎn)生中斷和DMA請(qǐng)求信號(hào)，并在接受到中斷和DMA應(yīng)答之后完成中斷處理和DMA傳輸。

I/O接口的功能是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)CPU通過(guò)系統(tǒng)總線把I/O電路和 外圍設(shè)備聯(lián)系在一起，按照電路和設(shè)備的復(fù)雜程度，I/O接口的硬件主要分為兩大類:

(1)I/O接口芯片

這些芯片大都是集成電路，通過(guò)CPU輸入不同的命令和參數(shù)，并控制相關(guān)的I/O電路和簡(jiǎn)單的外設(shè)作相應(yīng)的操作，常見(jiàn)的接口芯片如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。

(2)I/O接口控制卡

有若干個(gè)集成電路按一定的邏輯組成為一個(gè)部件，或者直接與CPU同在主板上，或是一個(gè)插件插在系統(tǒng)總線插槽上。

按照接口的連接對(duì)象來(lái)分，又可以將他們分為串行接口、并行接口、鍵盤接口和磁盤接口等。