一般来说，人类历史第一台RISC 电脑，应当是CDC6600，姑且不论IBM 力图自我宣传的立场，IBM 801 研发过程逐步厘清RISC 该有的样貌，也是不争的事实。最起码IBM 801 研发团队明确指出「存储器载入／回存（Load / Store） 架构」与「微码不好（Microcode is bad），不要微码」这些历史性结论。创造「根据代码流可分成指令（Instruction） 和数据（Data） 两种、据此再分成四种计算机类型（SISD、SIMD、MISD、MIMD）」的「费林分类法」（Flynn′s Taxonomy）的Michael Flynn，认定IBM 801 是世界第一个RISC 系统。IBM 前述ACS 计划累积的成果，如高级语言编译器的最佳化手段和更精练的指令集架构，一并延续到IBM 801。▲ 第一台RISC计算机IBM 801，由IBM 研究员John Cocke 和团队于1970 年代后期设计，他也在1987 年获得计算机工业最高荣誉「图灵奖」。1974 年，IBM 开始研究如何打造每小时处理100 万则通话、平均每秒300 通的电话交换机。假如每通电话须执行2万个指令，代表每秒最少要600 万个指令（6MIPS），再算额外处理负担，起码要1,200 万个指令（12MIPS）。但当时IBM 销售最高端机种System/370 Model 168（1972 年），只有每秒300 万个指令（3MIPS），这说明要出现巨大技术突破，才有实现目标的可能。因此John Cocke 团队删除所有操作存储器内数据的指令，只保留使用处理器内的数据寄存器。相较未有专门指令负责存储器载入（Load） 和存储器回存（Store）的CDC6600，电话交换机研究案直截了当指明RISC 指令集第一个要素：存储器载入（Load）／回存（Store）架构。白话点就是「一次从存储器抓一堆运算元（数据）进来，算完再一次丢回存储器」。IBM 在1975 年取消这计算机结构的概念取得相当进展的实验性专案，但当年10 月IBM 决定当成不同应用可共享的通用设计，继续发展，并以研发部门所在地Thomas J.Watson 研究中心建筑物编号为名，命名为IBM 801 计划。日后IBM 801 普遍用于各种IBM 产品，包括System/370 大型主机I/O 通道控制器、各种IBM 网通设备、IBM 9370 大型主机的垂直微码（Vertical Microcode）执行单元，并在日后成为IBM ROMP（Resarch OPD Micro Processor）微处理器、IBM RT PC 工作站和几个内部研究案的技术基础，一步步迈向时下高端RISC 之王：Power（Performance Optimization With Enhanced RISC）。接着更伟大的成就，就堂堂登场了──John Cocke 团队发现软件编译程序都未用到大多数透过微码（Microcode）实作的功能强大复杂的指令。当时可能一个看起来很简单的加法指令，就有一堆对应不同运算元（像寄存器与存储器配对，或不同运算元数量）版本，就是CISC 的特色，为了提供充裕指令数量与功能（受大型主机影响，是那时很重要的商业行销诉求），反而拖慢常用的简单指令。抛弃微码，使用硬件线路（Hardwired）制作这些指令，并有效流水线化（Pipeline），就是RISC 的第二个特征。▲ 微码是区分RISC与CISC 的最根本差异，没有之一。即使后来的RISC…...John Cocke 团队总结，这句话也从此颠覆指令集架构潮流：“在计算机与使用者间强加微码（用微码实作「为软件与硬件界面的指令集架构」），会在执行最频繁执行的指令时，产生昂贵的额外负担。”（Imposing microcode between a computer and its users imposes an expensive overhead in performing the most frequently executed instructions.）RISC的重大精神「让最常用的指令跑的更快」（Make The Common Case Fast）由此而生。▲ 虽然IBM 并未发明RISC 这名词，但IBM 的801 计划的确早于当代两位大师David Patterson（RISC 名词创造者，之后才出现「对照」用CISC）的RISC I 和John Hennessy 的MIPS。1980 年夏天问世的最初版，时钟频率15.15MHz，理论运算效能高达15MIPS，超出1974 年电话交换机的预定性能需求。但IBM 801 打从娘胎起就是为了功能极有限的系统而生，所以规格也极简单，仅有16 个24 位元数据寄存器，指令编码长度是短短24 位元，没有虚拟存储器，延续古老的2 运算元格式（A = A + B），但2运算元格式（A = A + B） 却会覆盖其中一个，代表必须事先复制一个运算元的数据到另一个寄存器，降低效率。后来IBM 改良多次，特别重要的是将指令编码长度扩展到32 位元，不仅让数据寄存器数量倍增到32 个（用到5 个位元标定），更有足够位元数，改为3 运算元格式（A = B + C），更利于数学应用，因两个数字（B 和C） 都可保留于寄存器，以便重新使用。RISC 第三个象征：「应该」要有32 个数据寄存器和三运算元格式，就这样出现在各位眼前（至于嵌入式导向RISC 指令集，如ARM Thumb，那又是另一个故事了）。更值得注意的是，不限硬件，IBM 801 计划也对改善编译器（Compiler）效率有巨大贡献（各位还记得上一篇ACS 和Frances Allen吗？）。新版IBM 801 于System/370 大型主机以「模拟器」执行时，运行速度竟然会比System/370 原生程式码还快。研发团队将IBM 801「尽其所能利用数据寄存器，并设法减低存取存储器频率」的编译器「逆向」移植回CISC指令集架构的System/370，效能也比原版快三倍，充分证明针对RISC 发展的编译器最佳化技术，也同样可改进CISC 处理器软件执行效能，反正能减少上下其手存储器，都不啻是好事一桩。总之，从CDC6600、ACS 和IBM 801，能对RISC 做以下总结：2.RISC「精简」的是指令格式与运算元定址模式，不是指令数目。3.存储器载入（Load）回存（Store）都由专属指令负责。4.尽量使用硬件线路（Hardwired）实做指令，避免采用微码（Microcode）产生控制讯号。5.预设最少要有32个数据寄存器与3 运算元（A = B + C）。6.因应高级语言普及，编译器（Compiler）技术在效能层面扮演举足轻重角色。但IBM 801的传奇并未划下句点，更大挑战即将现身John Cocke 等人眼前：1982 年以IBM 801 的成就为地基，IBM 启动Cheetah（猎豹）计划，借实作多组执行单元，让RISC 在单一时脉周期内执行多道指令，也就是同时执行一个以上指令的「超标量」（Superscalar）流水线，结合让RISC抢滩个人电脑市场的努力（ROMP、RT PC、PowerPC），铺陈蓝色巨人横越超过半世纪的壮丽RISC 发展史。▲ 笔者一直很讨厌RISC-V 阵营老爱把RISC 说得好像横空出世的伟大发明，就算不提IBM，RISC 起源甚至可追溯至1964年的CDC6600，距今超过半个世纪。如果还没忘记上一篇提到的IBM System/360，就会马上理解服务器的世界，无论CISC 还是RISC，最顶端的高端产品，依旧清一色是IBM 天下。不过论世界第一个「兼具超标量、乱序与预测指令执行的RISC 处理器」，一般认定是1990 年IBM Power1（限浮点运算） 或1993 年IBM PowerPC 601，但其实早在1978 年苏联Elbrus-1 实现，只是苏联解体、冷战结束后才逐渐被世人知悉。笔者更好奇的是，当代两位大师合着的两本经典教科书《计算机体系架构：量化研究方法》，何时会探讨俄国人的计算机领域成就？
/1 
eetop公众号
创芯大讲堂
创芯人才网