io口的作用

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，比方常规的外设有键盘、显示器、打印机、扫描仪、磁盘机、鼠标器等，它们相对于快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、数据格式也各不同样。

因此，外部设备不能与CPU直接相连，须要通过对应的电路来完毕它们之间的速度匹配、信号转换，并完毕某些控制功能。

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所看到的。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／输出系统应该包含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、甚至在某个场合是否能使用都和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中的一个。不论什么一台高性能计算机，假设没有高质量的输入/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

    数字量是计算机能够直接发送、接收和处理的数据。

比如由键盘、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）后才干输入计算机。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干去控制现场。


    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对应的电平转换才干与计算机连接。开关量仅仅要用一位二进数就可以表示。

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、输出设备是否空暇等情况。

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暇状态，如为空暇状态，则可接收CPU输出的信息。否则CPU要暂停送数。因此，状态信息可以保障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(包含接口)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详细工作原理不同而含义不同。


    尽管数据信息、状态信息和控制信息含义各不同样，但在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换信息时。仅仅能用输入指令(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所看到的。每一个接口电路中都包括一组寄存器。 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/Oport，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port；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port。用来存放CPU发往外设的控制命令的控制寄存器称为控制port。


    正如每一个存储单元都有一个物理地址一样，每一个port也有一个地址与之相相应，该地址称为port地址。有了port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port的读／写操作。数据port通常是双向的，数据是输入还是输出，取决于对该port地址进行操作时CPU发往接口电路的读/写控制信号。因为状态port仅仅作输入操作、控制port仅仅作输出操作，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port共用一个port地址，再用读／写信号来分别选择訪问。


    应该指出，输入/输出操作所用到的地址总是对port而言，而不是对接口而言的。

接口和port是两个不同的概念。若干个port加上对应的控制电路才构成接口。

7.1.4 I/Oport的编址

    微型计算机系统中I/Oport编址方式有两种：即I/Oport与内存单元统一编址和 I/Oport与内存单元独立编址。

    一．I/Oport与内存单元统一编址

    这样的编址方式，是对I/Oport和存储单元依照存储单元的编址方法统一编排地址号，由I/Oport地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址空间，比如，对于一个有16根地址线的微机系统。若採用统一编址方式，其地址空间的结构如图7.3所看到的。

採用统一编址方式后，CPU对I/Oport的输入/输出操作如同对存储单元的读/写操作一样，全部訪问内存的指令相同都可用于訪问I/Oport。因此无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计；同一时候。对存储器的各种寻址方式也相同适用于对I/Oport的訪问。给使用者提供了非常大的方便。但因为
I/Oport占用了一部分存储器地址空间。相对降低了内存的地址可用范围。

二．I/Oport与内存单元独立编址

    在这样的编址方式中，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究竟要訪问内存还是I/Oport。

为确保控制总线发出正确的信号，除了要有訪问内存的指令之外，系统还要提供用于CPU与I/Oport之间进行传输数据的输入/输出指令。


    80x86CPU组成的微机系统都採用独立编址方式。

在8086/8088系统中，共同拥有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/Oport寻址，所以I/Oport的地址范围从 0000H～FFFFH，如图7.4所看到的。CPU在訪问内存和外设时，使用了不同的控制信号来加以区分。比如，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port地址。


    採用独立编址方式后，存储器地址空间不受I/Oport地址空间影响，专用的输入／输出指令与訪问存储器指令有明显差别。便于理解和检查。可是，专用I/O指令添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/Oport的操作，添加了控制逻辑的复杂性。


    三、I/Oport的地址译码

    微机系统经常使用的I/O接口电路一般都被设计成通用的I/O接口芯片。一个接口芯片内部能够有若干可寻址的port。

因此，全部接口芯片都有片选信号线和用于片内port寻址的地址线。比如，某接口芯片内有四个port地址。则该芯片外就会有两根地址线。

本书第八章中将具体介绍几种经常使用的I/O接口芯片。


    I/Oport地址译码的方法多样，一般的原则是把CPU用于I/Oport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接口芯片的对应地址引脚，实现片内寻址，即选中片内的port；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。