計算機通過外圍設備同外部世界通信或交換數據稱為“輸入輸出”。在微型計算機系統中，常用的外圍設備有：鍵盤、鼠標器、硬磁盤機、軟磁盤機、光盤機、打印機、顯示器、調制解調器、數模轉換器、模數轉換器、掃描儀，以及一些專用設備。把外圍設備同微型計算機連接起來實現數據傳送的控制電路稱為“外設接口電路”，簡稱“外設接口”。

4.1.1 外設接口的功能

外圍設備的品種繁多，有機械式的、電子式的、機電式的、磁電式的以及光電式的等等；外圍設備所處理的信息多種多樣，有數字信號、模擬信號、開關信號、電壓信號或電流信號等等；從工作速度來看，有的速度很慢、有的速度甚快，不同的外圍設備處理信息的速度相差懸殊；另外，微型計算機用不同的外圍設備之間所傳送信息的格式和電平高低等也是多種多樣的。這就形成外設接口電路的多樣性，也決定了外設接口要比存儲器接口復雜。

根據外圍設備的多樣性、復雜性，外設接口電路應具有如下功能：

（1）轉換信息格式——例如串/并轉換、并/串轉換、配備校驗位等；

（2）提供聯絡信號——協調數據傳送的狀態信息，如設備“就緒”、“忙”，數據緩沖器“滿”、“空”等；

（3）協調定時差異——為協調微機與外設在“定時”或數據處理速度上的差異，使兩者之間的數據交換取得同步，有必要對傳輸的數據或地址加以緩沖或鎖存；

（4）進行詳碼選址——在具有多臺外設的系統中，外設接口必需提供地址譯碼以及確定設備碼的功能；

（5）實現電平轉換——為使微型計算機同外設相匹配，接口電路必需提供電平轉換和驅動功能；

（6）具備時序控制——有的接口電路具有自己的時鐘發生器，以滿足微型計算機和各種外設在時序方面的要求；

（7）最好可編程序——對一些通用的、功能齊全的接口電路，應該具有可編程序的能力，所謂可編程序就是用軟件來選用多功能接口電路的某些功能，以適應具體工作的要求。這也是現代接口電路的發展方向。

4.1.2 接口與端口

一個簡單的、也是基本的外設接口框圖如圖4-1所示。

從圖4-1可見，“外設接口”是“CPU”與“外設”之間傳送信息的一個“界面”、一個“連接部件”。外設接口一邊通過CPU的三總線（或微機總線）同CPU連接，一邊通過三種信息——數據信息、控制信息和狀態信息同外設連接，CPU通過外設接口同外設之間交換的信息就是這三種信息。

其中：數據信息可以有數字量、模擬量和開關量三種類型。數字量是以二進制碼形式提供的信息，通常是8位、16位和32位數據；開關量是用兩個狀態表示的信息，只用一位二進制碼表示；而模擬量是指由傳感器等提供的物理量轉換為相應的連續變化的電信號，模擬量必需先經模／數轉換器轉換為數字量后，再輸入CPU進行處理。

狀態信息表示外設當前所處的工作狀態，例如 READY（就緒信號）表示輸入設備已準備好信息，BUSY（忙信號）表示輸出設備是否能接收信息。

控制信息是由CPU發出的、用于控制外設接口工作方式以及外設的啟動和停止的信息。

數據信息、狀態信息和控制信息通常都以數據形式通過CPU（或微機總線）的數據總線同CPU進行傳送的，這些信息分別存放在外設接口的不同類型的寄存器中。CPU同外設之間的信息傳送實質上是對這些寄存器進行“讀”或“寫”操作。“接口” 中這些可以由CPU進行讀或寫的寄存器被稱為“端口”（Port）。按存放信息的類型，這些端口可分為“數據口”、“狀態口”與“控制口”，分別存放數據信息、狀態信息和控制信息。在一個外設接口中往往需要有幾個端口才能滿足和協調外設工作的要求，CPU通過訪問這些端口來了解外設的狀態、控制外設的工作，以及同外設之間進行數據傳輸。

4.1.3 I/O端口的編址方式

CPU對外設的訪問實質上是對外設接口電路中相應的端口進行訪問。I/O端口的編址方式有兩種——獨立編址和存儲器映像編址。

1．獨立編址（專用的I/O端口編址）

獨立編址方式的硬件結構及地址空間分配如圖4-2所示。這種編址方式的特點是：存儲器和I/O端口在兩個獨立的地址空間中，I/O端口的讀、寫操作由硬件信號IOR和IOW來實現，訪問I/O端口用專用的IN指令和OUT指令。

圖4-2 I/O指令尋址方式

獨立編址方式的優點是：I/O端口的地址碼較短（一般比同系統中存儲單元的地址碼短），譯碼電路較簡單，存儲器同I/O端口的操作指令不同，程序比較清晰；存儲器和I/O端口的控制結構相互獨立，可以分別設計。它的缺點是：需要有專用的I/O指令，而這些I/O指令的功能一般不如存儲器訪問指令豐富，所以程序設計的靈活性較差。

2．存儲器映像編址（統一編址）

存儲器映像編址方式的硬件結構及地址空間分配如圖4-3所示。這種編址方式的特點是：存儲器和I/O端口共用統一的地址空間； 一個地址空間分配給I/O端口以后，存儲器就不能再占有這一部分的地址空間，例如整個地址空間為1M，地址范圍為00000H～FFFFFH，如果I/O端口占有00000H～OFFFF這64K個地址，那么存儲器的地址空間只有從10000H～FFFFFH的960K個地址。在這種編址方式下，I/O端口的讀寫操作同樣由硬件信號MEMR和MEMW來實現，訪問I/O端口同樣用MOV指令。同時，所有訪問存儲器的指令（包括存儲器的算術、邏輯運算指令）都可用于I/O端口。

圖4-3 存儲器映像的I/O端口尋址

存儲器映像編址方式的優點是：任何對存儲器數據進行操作的指令都可用于I/O端口的數據操作，不需要專用的I/O指令，從而使系統編程比較靈活；I/O端口的地址空間是內存空間的一部分，這樣，I／O端口的地址空間可大可小，從而使外設的數目幾乎可以不受限制。它的缺點是：I/O端口占用了內存空間的一部分，雖然內存空間必然減少，影響了系統內存的容量；同時訪問I／O端口同訪問內存一樣，由于訪問內存時的地址長，指令的機器碼也長，執行時間顯然增加。

Intel MCS-5l等系列單片微計算機就采用存儲器映像I／O編址方式，這些微計算機中無專門的IN/OUT指令。