接口的功能及分类

输入/输出（Input/Output, I/O）系统是计算机与外界进行数据交换的通道。
I/O接口是连接主机和I/O设备的转换机构。由于I/O设备种类多样，控制方式各不相同，CPU不堪重负，因而有了I/O系统，协调和控制CPU、存储器、外部设备的数据通信。

I/O接口是主机与I/O设备间的美好生活小助手。有5大功能：

• 地址译码功能：为不同接口分配不同的地址码，便于接口的区分与选择。
• 数据转换：数据类型、格式方面的转换。
• 交换信息：在主机和I/O设备之间交换数据、控制命令、状态信息。
• 提供主机与I/O设备所需的缓冲、暂存、驱动能力。
• 支持主机用程序查询、中断、DMA方式访问。
  
  I/O接口可以按照传送格式、访问方式、时序控制方式分类。
  并行接口：一次把一个字节/字的所有位同时传输。
  串行接口：数据的所有位按顺序逐位传输。
  I/O接口 = 硬件电路 + 软件驱动

主机与外设间的连接方式

主机与外设间的常见连接方式有，总线型、星型、通道方式、I/O处理及方式。
总线型是最基本的连接方式，能够为连接的部件分时共享信息。
分时：某一时刻只允许1个部件把信息发送到总线。
共享：多个部件都可以通过总线传递信息。
总线要实现分时共享，必须要有相应的规则，称为总线协议。
可以把总线想象成一条河流，部件是沿河居住的生物。河流中的水是共享的信息。为了保持秩序，沿河居住的生物都遵循某种协议，一个时刻只让一个生物往河里投东西。

I/O接口的编址方式

I/O接口的编址方式有2种。

• 与内存单元统一编址：将I/O接口中的寄存器/存储部件看作存储器单元，与主存中的存储单元统一编址。
  优点：内存指令可以直接用于接口
  缺点：统一编址导致内存地址不连续；读程序时需要仔细辨认才可区分操作是针对内存还是接口。
• I/O接口单独编址：不占主存空间，指令易于分辨。但是需要设置专门的I/O指令才可访问接口。

CPU与外设之间交换数据的方式

CPU与外设之间交换数据的方式有4种。分别是直接程序控制、中断方式、直接存储器存取（DMA)方式、通道控制方式。数据交换能力逐渐增强，结构越来越复杂。

• 直接程序控制：包含立即程序传输方式、程序查询方式。
  （1）立即程序传输方式，外设时刻准备就绪，等待着与CPU交换数据。就像人们坐在公交站台，时刻准备着，等待公交车的到来。
  （2）程序查询方式，CPU会先询问外设的状态，外设如果准备就绪，CPU就与其进行数据交换。就像快递员会事先打电话问问你在不在家，如果在家，快递员就来送货啦。这种方式简单易实现，但是会降低CPU的利用率，且无法实时响应外部突发事件。
• 中断方式：因某事件发生，CPU暂停正在执行的程序，转而处理该事件。处理完毕后，回到暂停的执行程序，继续运行。中断的事件称为中断源。I/O接口准备好时，向CPU发出中断信号，CPU处理完与外设的数据交换后，回到暂停的程序继续工作。这种方式下，CPU无需查询外设状态，提高了CPU的利用率，CPU和外设可以并行工作，但是无法满足高速的批量数据传送要求。
• 直接存储器存取（DMA）方式：通过DMA控制器（DMAC）控制主存和I/O设备间直接数据传送, 简化CPU对数据传送的控制，提高主机和外设的并行工作程度。但是，DMAC只能控制简单的数据传送操作。
• 通道控制方式：通过执行通道程序进行I/O操作的管理，通道控制方式与DMA相比，可完成较复杂的I/O管理、预处理。DMA就像功能简单的机器人一代，通道控制使用的就是机器人二代升级版，能够做更复杂的事情。通道控制方式逐渐发展，成为了现在广泛使用的输入/输出处理器（I/O Processer, IOP）。