901-输入输出接口的基本功能
# 901-输入输出接口的基本功能
计算机的核心能力就是运算， 而快速的数学运算，甚至是早期设计计算机时的唯一目标。
但是今天，计算机已经成为了我们日常生活中，密不可分的一部分。 我们平时感受更多的，可能是计算机与外界交互的能力， 因此，想要了解计算机的组成，我们就必须要知道现代计算机当中，输入输出设备到底是怎么工作的。
我们先来一起回顾模型机的结构， 这个模型机由一个 CPU，一个存储器，和一个输入输出设备组成。 在系统启动后，CPU 就会从地址总线发出地址给存储器，然后从数据总线读回对应的指令编码， 并通过指令译码部件，产生相应的控制信号，完成对应的操作， 那这些操作有可能是进行运算， 也可能是读写存储器当中的某个单元，那也有可能是要进行输入输出的动作
那我们来看一看，CPU 如果要完成一个简单的输入动作，会是怎么样的。 我们这里的输入设备是八个手动的开关， 我们假设前三个开关都拨到高电平，后五个开关拨到低电平，那这八个开关可能连接到了一个寄存器， 那这个单元当中，就保存了 1110 0000 这个数， 而且事先在系统当中，也为这个单元分配了一个地址， 那么事先就编写了一个用于输入的程序，在这个程序当中，有一条指令就是读取 1111 这个地址单元。 那么当 CPU 执行了这条指令的时候，就会在地址总线上发出这个地址，与此同时，在控制总线上发出表示当前是读操作的信号，那这个输入输出设备收到这样地址和控制信号之后，就会 从 1111 这个单元，取出对应的内容，然后把它送到数据总线上去， 而 CPU 这时会采样数据总线上的信号，得到这个数值， 然后这条指令应该是把这个数，保存到某个通用寄存器当中去， 这样后续的程序也就可以对这个数进行操作了，这就完成了一个输入的动作。
那我们再来看一个输出的简单场景，我们现在的输出设备是 8 个小灯泡， 它也和一个 8 位的寄存器相连，并有对应的地址， 那现在 CPU 执行到某一条指令，是想点亮这 8 个灯泡当中的某几个， 那这条指令就会在地址总线上送出 1110，然后在控制总线上送出写的控制信号，与此同时，还需要在数据总线上，送出要写的数据， 这个输入输出设备，就会根据控制总线发现是一次写操作，就找到地址总线上的信号对应的单元，并将数据总线上对应的信号写进去， 于是 1110 这个单元，就被写入了 11001100 这个数， 然后这个单元的输出，就直接通过物理的连线，连接到 8 个小灯泡上，数值为 1 代表高电平，就会点亮某个灯泡，数值为 0，代表低电平，那对应的灯泡就是熄灭的状态。 这样我们就通过一条指令，完成了这几个小灯泡亮灭的控制， 从而让计算机外部的人，可以观察到输出的信息。
因此，由 CPU、存储器和输入输出设备，就构成了一个简单的计算机系统。 用于输入输出的，可以是拨码开关、LED 管，这样的的简单的设备， 也可能是比较复杂的设备，像打印机、硬盘， 那现在的计算机系统当中，输入输出设备变得越来越多，功能也非常的丰富。 这些设备的差异非常大，有些设备要求很高的数据传输率，比如说显示器， 有些设备的速度却很慢，比如键盘和鼠标， 而且有一些接口是串行的，有一些是并行的，有数字电路的接口，也有模拟电路的接口
如此千差万别的设备，就没有办法直接和 CPU 这一个芯片进行连接， 因此我们就需要在 CPU 和这些设备之间，设置一个中转站， 这就是输入输出接口，也被称为 I/O 接口。
I/O 接口主要提供了这些功能，1 是数据缓冲， 用于解决高速的 CPU 和低速的外设之间的差距。
第 2 是提供联络信息，比如打印机什么时候能够接收数据。
第 3 是提供格式上的转换，比如模拟信号和数字信号之间的转换， 串行信号和并行信号之间的转换，不同电平之间的转换。
第 4，一个接口可能连接了多个设备，比如说有多个硬盘， 那这个 I/O 接口还需要提供设备选择的功能。
其它还有一些功能，在用到的时候再做介绍。
因此，在现代的计算机系统当中， 往往把跟输入输出相关的设备分解成两个类型，一部分是 I/O 接口， 这可能是插在计算机主板上的一块插卡，也有可能是主板上的一个芯片，它内部会有一些寄存器，CPU 可以通过系统总线，去访问 I/O 接口当中的这些寄存器， 而这个 I/O 接口芯片，还会有一些管脚，与外部的设备相连。 那这种划分的典型代表，就是显卡和显示器， 显卡是一个 I/O 接口，显示器则被称为外设，那我们要注意的是，这样的划分和冯诺依曼结构当中所定义的输入输出设备，是不能完全一一对应的， 在这里，我们描述的是现代计算机发展过程中的，一种具体的实现。
那 I/O 接口究竟是如何用外设相连的， 我们来看一个例子，这是一种最简单的 I/O 接口， 叫做并行接口，它一边通过系统总线和 CPU 相连， 另一边可以连接数码管、拨码开关，这样简单的设备， 也可以连接打印机这样比较复杂的设备。 那这样的并行接口，一般有两种常见的实现形式，一种是采用独立的芯片，比如这个 8255A，就是一个并行接口芯片。那么早期的 I/O 接口，大多会采用这样独立芯片的形式， 而现在可以在一个芯片当中，实现多个 I/O 接口的功能。 所以这个并行接口，也可能被实现在一个多功能的芯片当中， 但不管是哪种实现形式，它总是要与这些外设进行连接。
我们先来看看它和那些简单的外设是怎么连接的， 比如说和一个简单的输出设备，就是这个数码管，那这个并行接口的芯片，对外会有 8 根引脚， 通过主板上的连线，就可以连接到这个数码管， 每根信号线，正好连接到其中一个可以发亮的部分， 加上旁边的这个小数点，一共有 8 个，因此，这和我们刚才用模型机演示的例子一样，CPU 只要将对应的数据写到这个数据输出寄存器上，并行接口芯片就会直接将这个寄存器的内容，输出到这八根信号线上，那这个数码管上对应的部分就会亮起，从而展现出我们编程想要输出的数字
那类似的，这个并行接口芯片，还可以有 8 个引角，连接到拨码开关， 那拨码开关的状态，就会被保存在数据输入寄存器当中，等待 CPU 来读取， 这些都是非常简单的设备。
那我们再看一些稍微复杂一点的设备，比如说打印机， 那么就不能像刚才那样简单的传入数据了，除了连接刚才那 8 根输出的信号之外， 还需要有一根信号，告诉打印机，此时输出的数据，是希望打印机接收的数据， 而打印机在接收了这个数据之后，还要给出一个回答的信号， 以表示它已经完成了这个数据的接收工作， 这样才能保证，这个并行接口和打印机进行数据传输时， 既不丢失数据，也不会传输到重复的数据。
那么对于扫描仪这样的输入设备，也是类似的情况， 扫描仪在将扫描了的数据进行输入时，也需要给出一个输入准备好的信号， 那并行接口电路在采样了数据输入之后，也需要给出输入的回答信号， 因此，并行接口芯片，在连接这些比较复杂的设备时， 除了那 8 根数据信号之外，还需要有两根用于通讯联络的信号， 而这两根信号，又被称为握手信号，在数据传输中， 起着协调和联络的作用，那对于稍微复杂一些的外设， 都得采用带握手信号的数据传输的方式。
在现代的计算机当中，这种并行接口电路，算是最简单的 I/O 接口了， 它和许多其它更为复杂的 I/O 接口，都会在集成在南桥芯片当中， 而还有少数对性能要求比较高的接口，则会采用独立的芯片，或者板卡的形式， 而在一些紧凑型的设备中，比如说平板电脑和智能手机， 这些 I/O 接口甚至会和 CPU 一起，集成在一个芯片当中。 那不管是哪种形式，这些 I/O 接口的功能都是独立存在的， 而且它们也需要各自的管脚、连线，与对应的外设相连，从而让 CPU 可以与外部进行交互。
外面的世界很精彩，但也很复杂。 我们的 CPU 虽然又超群的计算能力，然而它的交往技巧却是很贫乏， 所以我们为它找到了 I/O 接口这个好帮手
