计算机组成结构—IO接口（IO控制器）

news2024/10/5 15:23:03

一、I/O 接口的功能

二、I/O 接口的基本结构

1. 总线连接的数据通路

2. I/O 接口的基本组成

三、I/O 端口及其编址

1. 统一编址

2. 不统一编址

四、I/O 接口的类型

两个系统或两个部件之间的交接部分，一般就称为接口。接口可以是硬件上两种设备间的连接电路；也可以是两个软件之间交互的逻辑边界。

主机与 I/O 设备之间，专门设置一套硬件电路、配合相应的软件控制，实现两者间的信息交互，这就是 I/O 接口。不同的 I/O 设备都有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。

一、I/O 接口的功能

I/O 接口主要的功能如下：

选址功能：根据 I/O 指令中的设备码进行设备选择；
数据缓冲：I/O 设备速度不一，与 CPU 相差比较大，需要进行数据的缓冲达到速度匹配、防止丢失数据；
串并转换：有些 I/O 设备采用串行传输方式，而 CPU 一般为并行传输，需要进行数据格式转换；
电平转换：I/O 设备的输入输出电平可能与 CPU 不同，需要进行电平转换；
传送控制命令：CPU 会向 I/O 设备发出各种控制信号，需要相应的传输通路；
反馈状态信息：I/O 设备需要将工作状态（比如 “忙” “准备就绪” “错误” “中断请求” 等）报告给 CPU，并且可能需要将状态信息进行保存，供 CPU 查询。

二、I/O 接口的基本结构

总线结构的计算机中，每一台 I/O 设备都是通过 I/O 接口挂到 I/O 总线上的。

1. 总线连接的数据通路

由于需要实现设备选择、数据缓冲、传送命令和状态等功能，总线中必须有相应的数据通路：

上图中的 I/O 总线，就包含了 数据线、设备选择线、命令线 和 状态线。

数据线

数据线是 I/O 设备与主机之间传送数据的线路。

数据线的根数一般等于存储字长的位数，通常是 双向的。若采用单向数据总线，则必须用两组才能实现数据的输入和输出功能，而双向数据总线只需一组即可。

设备选择线

设备选择线用来传送设备码，如果把设备码看做是地址号，那么设备选择线又可称为 地址线。

设备选择线的根数取决于 I/O 指令中设备码的位数，决定了能够连接设备的数量。设备选择线一般是一组，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。

命令线

命令线主要用来传输 CPU 向设备发出的各种命令信号，比如启动、清除、屏蔽、读、写等。

命令线是一组单向总线，根数与命令信号的数量有关。

状态线

状态线主要用来向主机报告 I/O 设备的状态信号，比如设备是否准备就绪、是否向 CPU 发出中断请求等。

状态线也是一组单向总线。

2. I/O 接口的基本组成

根据 I/O 接口的功能，以及总线结构中整体的数据通路，就可以推出接口应该具有的硬件配置。

（1）选址功能

设备码通过设备选择线（地址线）送至所有设备的接口，因此需要每个接口都必须具有选址功能。

当设备选择线上的设备码与本设备码相符时，发出一个 设备选中信号 SEL，这种功能可通过接口内的设备选择电路来实现。

（2）传送命令的功能

当 CPU 向 I/O 设备发出命令时，要求 I/O 设备能做出响应，因此通常在 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 指令中的命令码，它受设备选中信号 SEL 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，才会将命令线上的命令码存入命令寄存器。

（3）传送数据的功能

接口处于主机与I/O设备之间，因此主机与 I/O 设备之间进行数据传输必须经过接口。这就要求接口中具有数据通路，完成数据传送。这种数据通路还应具有缓冲能力，也就是能将数据暂存在接口内。

接口中通常设有 数据缓冲寄存器（Data Buffer Register，DBR），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。

（4）反映 I/O 设备工作状态的功能

为了使 CPU 能及时了解 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。

比如，可以用 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 = 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 设备正处于工作状态；
当 D = 0，B = 0 时，表示 I/O 设备处于暂停状态。

由于现代计算机系统中大多采用中断技术，因此接口电路中一般还设有 中断请求触发器 INTR，当为 “1” 时，表示该设备向 CPU 发出中断请求；

接口内还有 中断屏蔽触发器 MASK，它与中断请求触发器配合使用，完成设备的屏蔽功能。

所有的状态标志触发器都与I/O总线中的状态线相连。此外，不同的 I/O 设备的接口电路中还可根据需要增设一些其他状态标志触发器。

这样就可以得到 I/O 接口的基本组成：

目前大多数 I/O 设备所共用的电路都制作在一个芯片内，作为 通用接口芯片。另一些 I/O 设备专用的电路，制作在 I/O 设备的 设备控制器 中。

三、I/O 端口及其编址

需要注意区分 “接口” （Interface）和 “端口” （Port）的概念：

端口指的是接口电路中的一些寄存器，这些寄存器用来存放数据信息、控制信息和状态信息，相应的端口就称为 数据端口、控制端口 和 状态端口。

CPU 执行 I/O 指令中的输入操作时，从端口读入信息；执行输出操作时，将寄存器（比如 ACC）的信息写入到端口中。这样，CPU 对 I/O 设备的操作，就可以转换为对 I/O 端口的操作。一些端口，再加上对应的控制逻辑，就组成了接口。

CPU 要想访问某个 I/O 端口，就需要对 I/O 端口进行统一编号，每个端口对应一个 端口地址。对 I/O 端口的编址，可以选择跟内存统一，也可以完全独立。

1. 统一编址

统一编址就是把 I/O 地址看作存储器地址的一部分，也就是把 I/O 端口当做存储器单元统一进行地址分配。也称为 存储器映射方式。

这样，CPU 访问 I/O 端口时就可以直接用访存指令，而不需要专门的 I/O 指令，CPU 控制 I/O 设备更加方便；而缺点是端口会占用内存地址空间，减少了主存容量。

2. 不统一编址

不统一编址就是 I/O 地址和存储器地址完全分开，两者都有自己独立的地址空间，所以又叫 独立编址。也称为 I/O 映射方式。

不统一编址时，CPU 访问一个地址时，就无法从地址码上进行区分；所以必须通过设置专门的 I/O 指令 来访问 I/O 端口。这样就不会占用主存地址空间，用专门的 I/O 指令编写程序也会更加清晰；缺点是让指令系统更加复杂，CPU 需要提供对内存和 I/O 设备的两套读/写控制信号，硬件成本也更高。