為什么早期計(jì)算機(jī)I/O外設(shè)采用復(fù)用寄存器地址設(shè)計(jì)？

來源于小伙伴提問。

以下是我的一些看法。

早期計(jì)算機(jī)IO外設(shè)喜歡復(fù)用寄存器地址的原因是多方面的，包括硬件資源限制、技術(shù)實(shí)現(xiàn)與兼容性、引腳數(shù)量與模塊化設(shè)計(jì)以及軟件實(shí)現(xiàn)與開銷等因素。雖然這種機(jī)制增加了軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，但在當(dāng)時的技術(shù)條件下，它確實(shí)是一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

1、硬件資源限制

地址空間有限

早期計(jì)算機(jī)的地址空間非常有限，尤其是IO空間。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，雖然地址空間逐漸擴(kuò)大，但在早期，如何在有限的地址空間內(nèi)支持更多的功能和設(shè)備是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

復(fù)用寄存器地址允許設(shè)計(jì)者在有限的地址空間內(nèi)支持更多的功能和設(shè)備，從而提高了計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展性和靈活性。

降低硬件成本

每個獨(dú)立的地址解碼器都需要額外的硬件支持。

通過復(fù)用地址，可以減少所需的解碼邏輯，從而降低硬件成本。

在當(dāng)時的技術(shù)條件下，硬件成本是計(jì)算機(jī)制造商需要重點(diǎn)考慮的因素之一。

復(fù)用寄存器地址成為了一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

2、技術(shù)實(shí)現(xiàn)與兼容性

技術(shù)實(shí)現(xiàn)的便利性

通過復(fù)用寄存器地址，可以使用更簡單的硬件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。

例如，使用Index/data兩個寄存器窗口來訪問后面一組寄存器，或者使用一個控制寄存器來決定其他寄存器的功能等。

這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式在當(dāng)時的技術(shù)條件下相對容易實(shí)現(xiàn)，且能夠滿足計(jì)算機(jī)的基本需求。

保持向后兼容性

隨著設(shè)備功能的增加，復(fù)用地址允許在不改變現(xiàn)有硬件接口的情況下添加新功能，從而保持了向后兼容性。

這對于計(jì)算機(jī)制造商和用戶來說都是一個重要的考慮因素，因?yàn)楦鼡Q硬件接口需要額外的成本和努力。

3、引腳數(shù)量與模塊化設(shè)計(jì)

引腳數(shù)量的限制

早期計(jì)算機(jī)的IO芯片通常位于PCB上，而不是像現(xiàn)在這樣與CPU和IO Hub集成在一起。

因此，每個IO芯片都需要有自己的引腳來與其他組件進(jìn)行通信。

復(fù)用寄存器地址可以減少所需的引腳數(shù)量，從而降低芯片的成本和復(fù)雜性。

這對于模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)來說是一個重要的考慮因素。

模塊化設(shè)計(jì)的需要

在軟件工程上，模塊間的交互設(shè)計(jì)要越簡單越好，硬件也同樣適用。

早年的PC里，這些硬件芯片都是獨(dú)立的，自然是越簡單越好。

因此，通過復(fù)用寄存器地址來簡化硬件接口的設(shè)計(jì)成為了一種有效的解決方案。

4、軟件實(shí)現(xiàn)與開銷

軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性

復(fù)用寄存器地址確實(shí)增加了軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。

因?yàn)橥粋€地址可能對應(yīng)不同的寄存器或功能，所以軟件需要單獨(dú)記住上次訪問的是哪個寄存器或功能，并在需要時進(jìn)行切換。

這增加了軟件的開發(fā)和維護(hù)成本，但也為軟件提供了更靈活的控制方式。

權(quán)衡與取舍

在早期計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中，硬件成本、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、兼容性以及引腳數(shù)量等因素都需要進(jìn)行權(quán)衡和取舍。

復(fù)用寄存器地址成為了一種在當(dāng)時技術(shù)條件下相對合理的解決方案。