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第2章 输入输出 在微型计算机系统的应用中，CPU除与内存交换信息外，还必然要经常与各种外部设备交换信息。主机与外设进行信息交换过程主要是完成数据输入或输出的传送操作。输入或输出操作的确切含义是有选择地启动被微处理器选中的外部设备，以便使其接收来自CPU的数据或向CPU送入数据。 数据传送的方向标准通常以微处理器为中心，当数据是由外部设备，如键盘、纸带读入机、光笔等设备向CPU送入时，称为输入传送；而当数据自CPU送到如发光二极管、七段显示器、CRT显示器、点阵打印机、绘图仪等设备时，称为输出传送。 CPU与各外部设备之间的连接和信息交换是比较复杂的。通常把CPU与外部设备间的连接方法与信息交换手段的研究称为输入输出技术（由于外部设备通常简称I/O设备，故亦称输入输出技术为I/0技术）。 2.1 接口概述 2.1.1 接口与端口 从广义上讲，接口就是指两个系统或两个部件之间的交接部分，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公用的逻辑边界。在微型计算机系统中，CPU与外部设备之间的联系，需要有特定的硬件连接和相应的控制软件。完成这一任务的软、硬件的综合称为接口。对这种硬件、软件的设计，称为接口技术。 应该指出，接口（Interface）和端口（Port）是不同的。所谓端口是指接口电路中那些完成信息传送，可由程序寻址并进行读写操作的寄存器。原则上讲，若干个端口加上相应的控制逻辑才构成接口。所以，一个接口中往往含有几个端口，CPU可以通过输入指令从端口读出信息，通过输出指令向端口写入信息。CPU寻址的是端口，而不是笼统的外设接口。 2.1.2 接口的功能 1．地址译码或设备选择 接口必须进行地址译码，从而产生设备选择信号，以使微处理器和指定的外部设备交换信息。 2．数据缓冲和锁存 在微计算机系统中，数据总线是系统各部分之间公用的双向总线，所有设备分时复用。所以，无论是存储器，还是外部设备，都不能长期占用数据总线，只允许被选中的设备在读/写周期内可用其传送数据。 3．信息格式与电平的转换 接口应该具有信号传送格式、信号类型、信号电平的转换能力。 4．数据传送的协调 CPU工作是有一定的时序的，CPU与外部设备交换数据时必须采用一定的传送方式进行控制。 2.1.3 接口的一般编程结构 I/O接口与外设的连接信号 I/O接口与外设的连接信号分为数据线、状态线和控制线三种。 （1）数据线 大致分为如下三种类型。 1）数字量。数字量是以二进制形式表示的数据或是以ASCII码表示的数据及字符。 2）模拟量。许多连续变化的物理量，如温度、湿度、位移、压力、流量等都是模拟量。 3）开关量。开关量可表示两个状态，如开关的闭合和断开、电机的运转和停止、阀门的打开和关闭等。 （2）状态线 外设将其状态通过状态线送往接口中的状态寄存器，它反映了当前外设所处的工作状态。对于输入设备来说，通常用准备好（READY）信号来表明输入设备是否准备就绪。 （3）控制线 控制线是由CPU向I/O接口输出的控制外部设备的信息。 2.1.4 接口的分类 1．按应用分类 从应用角度分类，微计算机接口一般可分为四种基本类型：用户交互接口、辅助操作接口、传感接口和控制接口。 2．按功能分类 （1）按数据传送方式分类：并行接口、串行接口。 （2）按接口通用性分类：通用接口、专用接口。 （3）按接口的可选择性分类：可编程接口、不可编程接口。 （4）按接口输入/输出信号分类：数字接口、模拟接口。 2.2 I/O端口的地址选择 微计算机的操作速度很快，可以控制很多外部设备。但是，微计算机采用的是总线结构，只有一组数据线。当CPU发出一个数据信息后，到底哪一个外部设备来接收这个数据呢？不得而知。因此，在微计算机与外部设备交换信息之前，应首先通过地址总线发出地址信息，通过某种编址方式来选中一个外部设备，进而实现信息交换。这里所谓的“与外部设备”交换信息，确切地应理解为“与外部设备的端口”交换信息。对端口的编址（寻址）有两种方式，这就是存储器映像方式和I/O映像方式。常见的端口地址选择方法有三种：门电路组合法、译码器译码法、比较器比较法。 2.2.1 输入输出的寻址方式 1．存储器映像方式 这种寻址方式把一个I/O端口看作是一个存储单元（或采用地址重叠技术，对应n个存储单元），相当于给每一个I/O端口分配一个存储器地址（或n个存储器地址）。 存储器映像寻址方式的主要优点是： （1）指令丰富。 （2）I/O端口空间大。 （3）寻址的控制逻辑比较简单。 这种寻址方式的主要缺点是： （1）I/O端口占用了一部分存储器地址空间，使可用的内存空间相对减少。 （2）对I/O端口的访问和对存储器的访问一样，必须对全部地址线译码，因而地址译码电路