7.2.1 I/O接口的功能#

I/O接口的主要功能如下：

1. 地址译码与设备选择。当CPU发出I/O操作请求时，会同时提供目标外设的地址码。接口对地址进行译码，产生设备选择信号，确保主机仅与指定外设通信。
2. 通信联络与时序协调。主机与外设的工作速度通常不匹配。接口通过握手信号或状态轮询机制，动态协调双方操作节奏，确保数据传输可靠有序。
3. 数据缓冲。接口设有数据缓冲寄存器，用于暂存传输数据，避免因速度不匹配导致的数据丢失。
4. 信号格式转换。主机与外设在电平标准、数据格式或信号类型上可能存在差异。接口需完成电平转换、并/串或串/并转换、模/数或数/模转换等，以实现物理兼容。
5. 控制命令与状态信息传递。CPU通过向接口的控制寄存器写入命令字（如“启动”）控制外设；外设通过状态寄存器反馈状态（如“就绪”）。当外设需要主动通知CPU(如数据到达)时，接口可向CPU发出中断请求，由CPU适时响应处理。

7.2.2 I/O接口的基本结构#

I/O接口在主机侧通过I/O总线与CPU和内存相连，其内部主要包括三类寄存器：数据缓冲寄存器用于暂存CPU与外设之间传送的数据；状态寄存器用于记录接口及外设的当前状态；控制寄存器用于保存CPU发给外设的控制命令。由于状态寄存器仅被CPU读取，控制寄存器仅被CPU写入，二者的访问方向相反且访问时间错开，因此在某些设计中可复用同一端口地址：读操作访问状态，写操作访问控制。

I/O接口中的数据线传送的是读/写数据、状态信息、控制信息以及中断类型号(在向量中断中)；地址线指定要访问的I/O接口内部寄存器的端口地址；控制线传送的是读/写控制信号（用于区分寄存器访问方向），以及中断请求与响应信号、总线仲裁信号和设备握手信号。

I/O接口中的I/O控制逻辑的功能：

1. 对控制寄存器中的命令字进行译码，并将生成的控制信号经外设界面控制逻辑送至外设。
2. 输出时，将数据缓冲寄存器的内容发送给外设；输入时，将外设数据写入数据缓冲寄存器。
3. 实时采集外设状态，并更新至状态寄存器。

对上述寄存器的访问通过专用指令完成，这类指令称为I/O指令。在采用独立I/O地址空间的体系结构（如x86），I/O指令通常为特权指令，仅限操作系统内核使用。

7.2.3 I/O接口的类型#

从不同角度，I/O接口可分为以下类型。

1. 按数据传送方式（外设与接口一侧），可分为并行接口(一字节或一个字的所有位同时传送)和串行接口（一位一位有序传送），接口需完成相应的并/串或串/并格式转换。
2. 按主机访问I/O设备的控制方式，可分为程序查询接口、中断接口和DMA接口等。
3. 按功能灵活性，可分为可编程接口（通过编程改变接口功能）和不可编程接口。

7.2.4 I/O端口及其编址#

I/O端口是指I/O接口电路中可被CPU直接访问的寄存器，主要包括：数据端口(支持CPU进行读/写操作)、状态端口（仅支持读操作）和控制端口（仅支持写操作）。

NOTE

端口与接口是两个不同概念：端口是接口内部可寻址的寄存器。

为使CPU能够访问各个I/O端口，必须对端口进行编址，每个端口对应一个唯一的端口地址。常见的编址方式有两种：独立编址与统一编址。