计算机组成原理 第四章（输入输出系统）—第三节（I/O接口）

写在前面：

1. 本系列笔记主要以《计算机组成原理（唐朔飞）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。

2. 视频链接：计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清_哔哩哔哩_bilibili

一、概述

1、I/O接口的概念

（1）接口可以看作两个系统或两个部件之间的交接部分，它既可以是两种硬设备之间的连接电路，也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。

（2）I/O接口又称I/O控制器、设备控制器，它负责协调主机与外部设备之间的数据传输。

（3）I/O接口通常是指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制，不同的I/O设备都由其相应的设备控制器，而它们往往都是通过I/O接口与主机取得联系的。

2、设置I/O接口的理由

（1）一台机器通常配有多台I/O设备，它们各自有其设备号（地址），通过I/O接口可实现I/O设备的选择。

（2）I/O设备种类繁多，速度不一，与CPU速度相差可能很大，通过接口可实现数据缓冲，达到速度匹配。

（3）有些I/O设备可能串行传送数据，而CPU一般为并行传送，通过接口可实现数据串-并格式的转换。

（4）I/O设备的输入输出电平可能与CPU的输入输出电平不同，通过接口可实现电平转换。

（5）CPU启动I/O设备工作，要向I/O设备发送各种控制信号，通过接口可传送控制命令。

（6）I/O设备需将其工作状态及时向CPU报告，通过接口可监视设备的工作状态，并可保存状态信息供CPU查询。

二、接口的功能和组成

1、总线连接方式的I/O接口电路

（1）下图所示的是总线结构的计算机，每一台I/O设备都是通过I/O接口挂到系统总线上的，图中的I/O总线包括数据线、设备选择线、命令线和状态线。

①数据线：

        数据线是I/O设备与主机之间数据代码的传送线，其根数一般等于存储字长的位数或字符的位数，它通常是双向的，也可以是单向的，若采用单向数据总线，则必须用两组才能实现数据的输人和输出功能，而双向数据总线只需一组即可。

②设备选择线：

        设备选择线是用来传送设备码的，它的根数取决于I/O指令中设备码的位数。如果把设备码看作地址号，那么设备选择线又可称为地址线。设备选择线可以有一组，也可以有两组，其中一组用于主机向I/O设备发送设备码，另一组用于I/O设备向主机回送设备码，当然设备选择线也可采用一组双向总线代替两组单向总线。

③命令线：

        命令线主要用以传输CPU向设备发出的各种命令信号，如启动、清除、屏蔽、读、写等，它是一组单向总线，其根数与命令信号多少有关。

④状态线：

        状态线是将I/O设备的状态向主机报告的信号线，例如设备是否准备就绪、是否向CPU发出中断请求等，它也是一组单向总线。

2、接口的功能和组成

（1）选址功能：

        I/O总线与所有设备的接口电路相连，CPU选择哪一台设备由设备选择线上的设备码决定，该设备码将会送至所有设备的接口，当设备选择线上的设备码与本设备的设备码相符时，接口内的设备选择电路发出设备选中信号SEL。

（2）传送命令的功能：

        通常在I/O接口中设有存放命令的命令寄存器以及命令译码器，命令寄存器用来存放I/O指令中的指令码，它受设备选中信号控制。命令线和所有接口电路的命令寄存器相连，只有被选中设备的SEL信号有效（也就是被CPU选中），命令寄存器才可接受命令线上的命令码。

（3）传送数据的功能：

        数据需要通过接口才能实现主机与I/O设备之间的传送，接口中有相应的数据通路，这种通路具有缓冲能力，即能将数据暂存在接口内。接口中通常设有数据缓冲寄存器，它用来暂存I/O设备与主机准备交换的信息，与I/O总线中的数据线是相连的。

        每个接口中的数据缓冲寄存器的位数可以各不相同，这取决于各类I/O设备的不同需要。

（4）反映I/O设备工作状态的功能：

        为了使CPU能及时了解各I/O设备的工作状态，接口内必须设置一些反映设备工作状态的触发器，例如用完成触发器D和工作触发器B来标志设备所处的状态：

        当D=0、B=0时，表示I/O设备处于暂停状态。

        当D=1、B=0时，表示I/O设备已经准备就绪。

        当D=0、B=1时，表示I/O设备正处于准备状态。

        接口电路中一般还设有中断请求触发器INTR，当其为“1”时表示该I/O设备向CPU发出中断请求。接口内还有屏蔽触发器MASK，它与中断请求触发器配合使用，完成设备的屏蔽功能。（具体在第七章将会详细介绍）

（5）I/O接口的基本组成：

三、接口类型

1、按外设和接口之间的数据传送方式分类

（1）并行接口：将一个字节（或一个字）的所有位同时传送。

（2）串行接口：数据在设备与接口间一位一位地传送。由于接口与主机之间是按字节或字并行传送，因此对串行接口而言，其内部还必须设有串-并转换装置。

2、按功能选择的灵活性分类

（1）可编程接口：其功能和操作方式可用程序来改变或选择。

（2）不可编程接口：不能由程序来改变其功能，但可通过硬连线逻辑来实现不同的功能。

3、按通用性分类

（1）通用接口：可供多种I/O设备使用。

（2）专用接口：专门为某类外设或某种用途而设计。

4、按数据传送的控制方式分类

（1）程序型接口：用于连接速度较慢的I/O设备，如显示终端、键盘、打印机等。现代计算机一般都可采用程序中断方式实现主机与I/O设备之间的信息交换，故都配有这类接口。

（2）DMA型接口：用于连接高速I/O设备，如磁盘、磁带等。