IO接口与端口

IO接⼝与端⼝
输⼊输出接⼝
⾼速的微处理器与低速的外设能够协调的⼯作，需要有⼀个具有数据缓冲和锁存能⼒、数据格式转换能⼒、定时控制能⼒并且能够提供外设状态的连接电路，我们把它叫做输⼊输出接⼝。

I/O接⼝应具有以下的功能：
(1)地址译码
CPU通过给接⼝分配地址识别接⼝，并通过地址总线将地址信息传送给接⼝。

接⼝应该具有地址译码的能⼒。

(2)数据传送
(3)提供握⼿联络信号
外部设备的⼯作速度往往远低于CPU的处理速度，CPU发送的数据不能被外设及时读取，造成数据丢失，因此需要握⼿联络信号（当设备准备好，CPU就与其交换信息，否则就等待），使CPU与I/O设备同步。

(4)数据格式转换
I/O接⼝必须能够提供外部设备的状态信息，同时能够根据CPU的命令输出控制信号，对外设实施控制。

(5)信号电平转换
外部设备多是复杂的机电设备，其信号电平多数与TTL或者MOS电路不兼容，需要接⼝来完成信号的电平转换。

(6)错误检测功能
接⼝和设备间的数据传输经常受到⼲扰，导致信息出错，接⼝应具备⼀定的错误检测能⼒，对传输信息进⾏校验。

I/O接⼝的分类
按数据传送⽅式，I/O接⼝分为并⾏接⼝和串⾏接⼝两类。

（1）并⾏接⼝，⼀次传送⼀个字节或多个字节的所有位。

（2）串⾏接⼝，⼀次传送⼀位，数据的所有位逐位传送。

CPU与I/O接⼝之间通过系统总线传输信息，包括地址信息、控制信息和数据信息。

I/O接⼝与设备之间通过串⾏或并⾏⽅式交换信息，包括数据信息、控制信息和状态信息。

I/O端⼝
I/O接⼝电路需要设置若⼲专⽤寄存器，缓冲输⼊输出数据，设定控制⽅式，保存输⼊输出状态信息等，这些寄存器可被CPU直接访问，常称为端⼝。

根据端⼝传输的信息，端⼝可分为数据端⼝、状态端⼝和控制端⼝，⽤以传输数据信息、状态信息和控制信息。

状态信息是由外设提供，CPU适时读取，因此状态端⼝为信息输⼊端⼝。

I/O接⼝在开始⼯作前，CPU需要设定它的⼯作⽅式，这些信息存放在控制端⼝。

根据信息传输⽅向，端⼝⼜可以分为输⼊端⼝、输出端⼝或着是输⼊/输出的双向端⼝。

只⽤来输出数据的数据端⼝称为数据输出端⼝，只⽤来输⼊数据的数据端⼝称为数据输⼊端⼝。

输⼊端⼝具有的能⼒：
CPU从输⼊端⼝输⼊数据时，要求外部设备事先将数据准备好，当外设有数据要发给CPU时，数据应先保存在输⼊端⼝上，不能直接进⼊系统的数据总线上，当需要读取数据时，输⼊端⼝就把数据放到数据总线上，这就是输⼊端⼝必须具有的通断控制能⼒。

总线结构的计算机系统，除了CPU任何其他部件都不能直接加载数据到数据总线上。

设备的接⼝电路挂接在系统总线上，但是设备输出的数据不能直接加载到数据总线。

所以，接⼝上需要有⼀个“开关”⼀样的电路，当CPU读取外部设备的数据时，这个“开
关”就将设备的数据加载到数据总线上，然后CPU通过数据总线接收数据。

也就是书评输⼊端⼝必须具有“通断”控制能⼒。

输出端⼝具有的能⼒：
CPU向输出端⼝输出数据时，由于外设的速度慢，数据必须在输出端⼝保持⼀定的时间，使外设能够正确接收，所以输出端⼝应具备数据
锁存能⼒。

I/O端⼝的编址⽅式
CPU通过地址识别端⼝，端⼝地址也称为端⼝号。

为I/O端⼝分配地址称为编址。

I/O端⼝的编址⽅式有两种：
与存储器统⼀编址
独⽴编址⽅式
1. 与存储器统⼀编址
这种⽅式⼜称为存储器映射编址⽅式。

它将I/O端⼝作为内存单元对待，由CPU统⼀分配地址。

通常在CPU的地址空间中划出⼀部分作为输⼊输出系统的端⼝地址范围，不再作为内存地址使⽤。

通常为⼀个外设的各个端⼝分配连续的地址
优点：访问I/O端⼝和访问内存单元⼀样，所有访问内存的指令都可以访问I/O端⼝，不⽤设置专门的I/O指令；也不需要专⽤的I/O端⼝控制信号，简化了系统总线。

利⽤数据传送指令就可以实现 CPU 与 I/O 端⼝的数据交换；
⽤测试指令可以测试端⼝的状态位，了解外设的状态，判断输⼊输出操作的执⾏情况。

缺点：占⽤⼀部分CPU地址空间。

划出的端⼝地址范围，不能再作为内存地址使⽤，所以减少了内存地址空间。

2. 独⽴编址⽅式
CPU给I/O端⼝分配⼀个独⽴的地址空间，提供专⽤的控制信号。

I/O端⼝地址空间与内存地址空间隔离。

优点：不占⽤内存空间，⽽且I/O端⼝地址线根数少，因为I/O端⼝地址空间不像内存那么⼤，不需要那么⼤的空间，所以译码电路简单。

缺点：需要专⽤的控制信号和专⽤的I/O指令。

3. 8088/8086CPU的编制⽅式
8088/8086CPU采⽤独⽴编址⽅式管理I/O端⼝，内存空间00000H FFFFFH（1MB），使⽤A0A19 全部20根地址线寻址。

它使⽤地址信号线
A0~A15，最多能够管理64K个端⼝，端⼝地址范围0000H~FFFFH，有专⽤的控制信号 IOR 和 IOW 或IO/ M 、 RD 和 WR ；专⽤指令IN和OUT。

CPU通过总线与存储器、I/O交换⼀个数据所需要的时间称为总线周期
M/IO：=1,表明该总线周期,CPU与存储器交换信息
=0,表明该总线周期,CPU与I/O接⼝交换信息
W/R： =1,表明该总线周期,CPU进⾏写操作
=0,表明该总线周期,CPU进⾏读操作
D/C ：=1,表明该总线周期,传输的是数据
=0,表明该总线周期,传输的是指令代码
这三个信号的组合，决定当前总线周期所完成的操作
I/O地址空间中000003FFH区间通常留给系统设备和ISA总线的端⼝使⽤。

其中000000FFH区间的端⼝地址，⽤于访问系统板上的设备，如时钟、定时器、键盘接⼝、中断控制器和DMA控制器等。

这个区间的地址信号中A8~A15都为0，所以为了使⽤⽅便，这个区间的端⼝地址在IN、OUT 指令中以8位地址的形式出现，只体现了A0~A7的内容。

0100~03FFH区间⽤于磁盘控制器、显⽰器、串⾏⼝和并⾏⼝等接⼝。

0400H~FFFFH地址区间⽤于⽤户应⽤、主板功能和PCI总线
CPU数据传送控制⽅式
微处理器与I/O设备之间的信息必须同步进⾏。

常⽤的数据传送控制⽅式包括⽆条件传送⽅式、程序查询传送⽅式、中断传送⽅式、直接存储器存取⽅式（DMA）。

1. ⽆条件传送⽅式
⽆条件传送⽅式⼜称同步⽅式，适合简单外设的数据输⼊输出，例如开关、继电器、步进电机、发光⼆极管等。

这些外设随时可以接收数据、随时可以提供数据，永远与CPU同步，CPU可直接与其进⾏数据交换，数据输⼊输出的控制程序很简单。

2. 程序查询传送⽅式
在实际应⽤中，多数I/O设备接收或发送信息的速度⽐微处理器慢很多，需要降低CPU数据传输的速度以匹配设备。

CPU与它们交换信息时，⾸先要查询设备⽬前的⼯作状态，当设备准备好，CPU就与其交换信息，否则就等待，这种⼯作⽅式称为程序查询⽅式或握⼿。

例如，打印机每秒可打印200个字符，显然微处理器发送字符的速度远⼤于打印机打印字符的速度。

微处理机与打印机连接需要进⾏速度匹配。

过程：
CPU通过数据端⼝DataP传送数据(D0~D7)，并产⽣⼀个STB信号作为数据选通信信号发给打印机。

打印机设置BUSY信号为逻辑1表⽰打印机“忙”，CPU通过状态端⼝StateP读取状态信息BUSY。

CPU发送信息前⾸先查询或测试BUSY信号，如果BUSY为逻辑1，表明打印机正在忙，CPU就等待；否则就发送⼀个字符到数据端⼝，然后再STB引脚设置⼀个脉冲信号。

打印机利⽤STB脉冲信号接收D0~D7的数据。

打印机收到数据后将BUSY信号置1并进⾏打印，打印结束后再将BUSY信号置为逻辑0.
缺点：
在这种传送⽅式下，CPU每传送⼀次数据，都要查询外设状态，外设⼯作速度慢，CPU只好反复查询，或延时等待以匹配外设。

CPU 花费很多时间完成与外设的时序匹配，因此CPU的⼯作效率很低。

3. 中断传送⽅式
当输出设备处于空闲状态或者输⼊设备数据准备好时，接⼝向CPU发出中断请求信号，CPU收到申请后及时响应接⼝的中断请求，暂停执⾏主程序，转去执⾏中断服务程序，完成数据传输之后再返回到主程序继续执⾏
优点：
这种⽅式，CPU不再检测或查询外设的状态，设备具有了主动反映其状态的能⼒，消除了程序查询⽅式的盲式测试，这种数据传送⽅式称为中断⽅式。

与程序查询⽅式相⽐，中断传送⽅式实时性好、节省 CPU时间、外设具有申请服务的主动权，并且在⼀定程度上实现设备与CPU并⾏⼯作。

缺点：
中断⽅式仍需要通过CPU执⾏程序来实现外设与CPU之间的信息传送；CPU每次中断都需要花费时间保护断点和现场，⽆法满⾜⾼速I/O设备的速度要求。

⽆条件传送⽅式、程序查询⽅式和中断⽅式在数据传送过程中，都需要经过CPU处理，CPU 从内存读出数据，再输出到外部设备，因此，这三种⽅式被统称为程序控制下的输⼊输出⽅式（Programmed input and output），简称 PIO⽅式
4.DMA⽅式
直接存储器存取（Direct Memory Access）⽅式简称为DMA⽅式。

是在内存储器和I/O设备之间建⽴数据通路，不经过CPU的⼲预，实现内存与设备之间的快速数据传送。

实现DMA⽅式需要专门的硬件装置DMA控制器（DMAC），控制外设与内存之间的数据传输。

DMA数据传输的⼯作流程
①外设向DMAC发出“DMA传送请求”信号（DRQ）；
② DMAC收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD，表⽰希望占⽤总线；
③ CPU将数据总线、地址总线和相应的控制信号线均置为⾼阻态，表⽰让出三⼤总线的使⽤权，向DMA 控制器发出“总线响应”信号（HLDA）。

④ DMAC收到HLDA信号后，就开始控制总线，并向外设发出DMA响应信号DACK；
⑤ DMAC送出地址信号和相应的控制信号，实现外设与内存或内存与内存之间的直接数据传送；
⑥规定的数据传送完后，DMAC就撤销发往CPU的HOLD信号。

CPU检测到HOLD失效后，紧接着撤销HLDA信号，并在下⼀时钟周期重新开始控制总线。