白话微机：4.解释IO接口以及一些考研面试问题

一. 前言（回顾世界观）

        很久很久以前，有这样一个世界，这个世界有着现实世界一样的元素：那里的人又有一个别的名字叫做“数据”，人有0有1；人们也有住房，这些住房在这个世界叫做“存储器”；地上有路，这些路叫做“数据总线”(相比于第一篇进行修正)；这里也有行政部门，比如公安局之类的，又有个名字叫“寄存器”；有中央政府，政府又叫做“中央处理器”，这里也会发生的一些自然灾害(内部中断)和人为活动(外部中断)，这篇文章我们来详细讲述一下IO设备。

二. I/O接口(城门)

        I/O接口可以被比喻为城门和检查站。这些检查站位于城市（单片机内部）和外面世界（外部设备）之间，允许“人们”（数据）进出城市，同时确保城市的安全和秩序。这些检查站不仅允许居民（内部数据）离开城市去外面的目的地（例如，打印机、键盘、显示器等外设），也允许外来者（数据从外设）进入城市，同时确保所有人在适当的时间以正确的方式移动。

三.考研面试问题

        1]I/O数据的传送方式？

         我们的“世界”是一个由单片机组成的复杂城市，而外设则是另一座邻近的城市。居民（数据）需要通过不同的方式来往两座城市之间,以下是三种I/O数据的传送方式：

1. 同步传送：

   这可以想象成两座城市之间有定时定点的列车（总线）。当两座城市的列车时刻表相同或者能够很好地协调（即外设速度与单片机速度相匹配）时，居民（数据）可以顺利地在两个城市之间移动。居民的移动与列车的运行严格同步，列车按时发车，并且居民按照预定的时间到达对面的城市，整个过程是有序和高效的。

2. 查询传送：

   如果邻近城市（外设）没有一个固定的发车时间表，但是有一些巴士（数据）准备好随时发车，那么主城市（单片机）就需要通过发送信号（查询外设）来查询邻近城市的巴士站是否有巴士准备发车(车次)。一旦得知有巴士准备好了，主城市就会打开城门（I/O接口），让巴士进入城市。这是一个按需响应的过程，具有异步性，因为主城市是在确认邻近城市准备好之后才采取行动。

3. 中断传送：

   在这种机制下，邻近城市（外设）当有一辆巴士（数据）准备好要出发时，会向主城市（单片机）发送一个急迫的信号（中断请求）。这个信号就像是紧急情况下的求助电话，提示主城市有一个优先事件需要处理。收到信号后，主城市会临时中断其他活动，开启专用通道（中断服务程序），让这辆巴士优先通行。这个过程允许邻近城市在数据准备好后立即通知主城市，确保数据能够迅速和准确地传输到正确的地点。

        2]扩展I/O接口的功能？

1. 实现不同外设的速度匹配：(使过往行人步伐相同)

   这相当于城门（I/O接口）具有调整过往行人（数据）步伐的能力，确保来自步行速度各异的城市（外设）的居民（数据）能够顺利进入本城市（单片机）。例如，如果外来的行人比较慢，城门会提供一种方式让他们加速，以匹配本城市的步调，或者允许本城市的行人减速，以便与外城市同步。

2. 输出数据锁存：(出城的人先集合再一起出城)

   这就像城门（I/O接口）外有一个集结点，出城的行人（输出数据）会在这里等待，直到所有人都准备好了才一起离开。这样可以确保没有行人在转移过程中被遗漏，所有的数据一起被发送到外界。

3. 输入数据三态缓冲：(城门灵活的开放机制)

   城门（I/O接口）有一套灵活的接待系统，它可以根据需要开放或关闭。当系统开放时，行人（输入数据）可以自由进入；关闭时，则阻止行人进入；而高阻态则允许城门对外开放，但不允许行人（输入数据）进入本城市（单片机），从而不影响城市内部的活动。

4. 电平转换：(不同语言的翻译官)

   不同的城市（外设）可能使用不同的标准或语言来沟通。城门（I/O接口）需要能够将外来行人使用的语言（电平信号）翻译成本城市理解的语言，反之亦然，确保无论是进城还是出城的行人（数据）都能被正确理解。

        3]有哪几种IO同步控制方式？

1. 程序查询式控制：

   政府（CPU）需要定期检查每个来自其他城市（外设）的城门（I/O端口），看是否有行人（数据）在那里等待进入。政府派守门人不停地循环访问每个路口，直到发现有行人等待，然后允许行人进入，处理他们的请求，然后再继续检查下一个城门。这是一个主动的检查过程，并且如果城门门口没有行人，守门人的这些访问就是徒劳的。

2. 中断驱动式控制：

   这种方式的城市有一个工作超级高效的守门人。当行人（数据）从其他城市（外设）到达城门口时，他们可以按一个按钮发送一个信号（中断请求）给城市守门人。无论守门人正在做什么，他会立即停下来，去那个特定的路口处理行人的请求。一旦完成，守门人就回到他之前的工作。这样，守门人不需要浪费时间去检查每个路口。

3. 存储器直接存取DMA：

   城市（计算机系统）有一条特殊的快车道（DMA通道），允许行人（数据）不经政府允许（CPU）直接进入，而是由专门的交通指挥员（DMA控制器）引导行人直接到他们要去的住宅（内存）。这样，守门人不需要亲自管理每个行人的到来和离开，从而可以节省大量时间，专注于处理其他重要的城市管理工作。

4. 延时等待式：

   在这种方式下，如果政府（CPU）安排的守门人发送请求给其他城市（外设），并且这些城市没有立即回应，守门人就会在路口（I/O接口）等待，直到行人（数据）到达。这意味着守门人在等待期间不能做其他事情，导致效率低下。