10.1 输入输出接口的基本功能
计算机组成
10 输入输出设备
10.1 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，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，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，假设前三个开关都拨到高电平，后五个开关拨到低电平。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11100000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（1111）。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。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。输入输出设备收到1111地址和Read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。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，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（Write）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11001100。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，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。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。
- 数据缓冲，用于解决高速的CPU和低速的外设之间的差距；
- 提供联络信息，比如打印机什么时候能够接收数据。
- 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。
- 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（I/O接口和外设）。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，还会有一些管角，与外部的设备相连。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。
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。
I/O接口究竟是如何与外设相连的，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。
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。这个并行接口的芯片，对外会有8根引角，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，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。
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，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。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。
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角、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虽然有超群的计算能力，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。
