I/O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A0}A19 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0000_{03FFH区间通常留给系统设备和ISA总线的端口使用。其中0000}00FFH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。