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一般來說，人類歷史第一臺RISC 電腦，應當是CDC6600，姑且不論IBM 力圖自我宣傳的立場，IBM 801 研發(fā)過程逐步厘清RISC 該有的樣貌，也是不爭的事實。最起碼IBM 801 研發(fā)團隊明確指出「存儲器載入／回存（Load / Store） 架構(gòu)」與「微碼不好（Microcode is bad），不要微碼」這些歷史性結(jié)論。
創(chuàng)造「根據(jù)代碼流可分成指令（Instruction） 和數(shù)據(jù)（Data） 兩種、據(jù)此再分成四種計算機類型（SISD、SIMD、MISD、MIMD）」的「費林分類法」（Flynn′s Taxonomy）的Michael Flynn，認定IBM 801 是世界第一個RISC 系統(tǒng)。IBM 前述ACS 計劃累積的成果，如高級語言編譯器的最佳化手段和更精練的指令集架構(gòu)，一并延續(xù)到IBM 801。▲ 第一臺RISC計算機IBM 801，由IBM 研究員John Cocke 和團隊于1970 年代后期設計，他也在1987 年獲得計算機工業(yè)最高榮譽「圖靈獎」。1974 年，IBM 開始研究如何打造每小時處理100 萬則通話、平均每秒300 通的電話交換機。假如每通電話須執(zhí)行2萬個指令，代表每秒最少要600 萬個指令（6MIPS），再算額外處理負擔，起碼要1,200 萬個指令（12MIPS）。但當時IBM 銷售最高端機種System/370 Model 168（1972 年），只有每秒300 萬個指令（3MIPS），這說明要出現(xiàn)巨大技術(shù)突破，才有實現(xiàn)目標的可能。因此John Cocke 團隊刪除所有操作存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)的指令，只保留使用處理器內(nèi)的數(shù)據(jù)寄存器。相較未有專門指令負責存儲器載入（Load） 和存儲器回存（Store）的CDC6600，電話交換機研究案直截了當指明RISC 指令集第一個要素：存儲器載入（Load）／回存（Store）架構(gòu)。白話點就是「一次從存儲器抓一堆運算元（數(shù)據(jù)）進來，算完再一次丟回存儲器」。IBM 在1975 年取消這計算機結(jié)構(gòu)的概念取得相當進展的實驗性專案，但當年10 月IBM 決定當成不同應用可共享的通用設計，繼續(xù)發(fā)展，并以研發(fā)部門所在地Thomas J.Watson 研究中心建筑物編號為名，命名為IBM 801 計劃。日后IBM 801 普遍用于各種IBM 產(chǎn)品，包括System/370 大型主機I/O 通道控制器、各種IBM 網(wǎng)通設備、IBM 9370 大型主機的垂直微碼（Vertical Microcode）執(zhí)行單元，并在日后成為IBM ROMP（Resarch OPD Micro Processor）微處理器、IBM RT PC 工作站和幾個內(nèi)部研究案的技術(shù)基礎，一步步邁向時下高端RISC 之王：Power（Performance Optimization With Enhanced RISC）。接著更偉大的成就，就堂堂登場了──John Cocke 團隊發(fā)現(xiàn)軟件編譯程序都未用到大多數(shù)透過微碼（Microcode）實作的功能強大復雜的指令。當時可能一個看起來很簡單的加法指令，就有一堆對應不同運算元（像寄存器與存儲器配對，或不同運算元數(shù)量）版本，就是CISC 的特色，為了提供充裕指令數(shù)量與功能（受大型主機影響，是那時很重要的商業(yè)行銷訴求），反而拖慢常用的簡單指令。拋棄微碼，使用硬件線路（Hardwired）制作這些指令，并有效流水線化（Pipeline），就是RISC 的第二個特征。▲ 微碼是區(qū)分RISC與CISC 的最根本差異，沒有之一。即使后來的RISC…...John Cocke 團隊總結(jié)，這句話也從此顛覆指令集架構(gòu)潮流：“在計算機與使用者間強加微碼（用微碼實作「為軟件與硬件界面的指令集架構(gòu)」），會在執(zhí)行最頻繁執(zhí)行的指令時，產(chǎn)生昂貴的額外負擔。”（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「讓最常用的指令跑的更快」（Make The Common Case Fast）由此而生。▲ 雖然IBM 并未發(fā)明RISC 這名詞，但IBM 的801 計劃的確早于當代兩位大師David Patterson（RISC 名詞創(chuàng)造者，之后才出現(xiàn)「對照」用CISC）的RISC I 和John Hennessy 的MIPS。1980 年夏天問世的最初版，時鐘頻率15.15MHz，理論運算效能高達15MIPS，超出1974 年電話交換機的預定性能需求。但IBM 801 打從娘胎起就是為了功能極有限的系統(tǒng)而生，所以規(guī)格也極簡單，僅有16 個24 位元數(shù)據(jù)寄存器，指令編碼長度是短短24 位元，沒有虛擬存儲器，延續(xù)古老的2 運算元格式（A = A + B），但2運算元格式（A = A + B） 卻會覆蓋其中一個，代表必須事先復制一個運算元的數(shù)據(jù)到另一個寄存器，降低效率。后來IBM 改良多次，特別重要的是將指令編碼長度擴展到32 位元，不僅讓數(shù)據(jù)寄存器數(shù)量倍增到32 個（用到5 個位元標定），更有足夠位元數(shù)，改為3 運算元格式（A = B + C），更利于數(shù)學應用，因兩個數(shù)字（B 和C） 都可保留于寄存器，以便重新使用。RISC 第三個象征：「應該」要有32 個數(shù)據(jù)寄存器和三運算元格式，就這樣出現(xiàn)在各位眼前（至于嵌入式導向RISC 指令集，如ARM Thumb，那又是另一個故事了）。更值得注意的是，不限硬件，IBM 801 計劃也對改善編譯器（Compiler）效率有巨大貢獻（各位還記得上一篇ACS 和Frances Allen嗎？）。新版IBM 801 于System/370 大型主機以「模擬器」執(zhí)行時，運行速度竟然會比System/370 原生程式碼還快。研發(fā)團隊將IBM 801「盡其所能利用數(shù)據(jù)寄存器，并設法減低存取存儲器頻率」的編譯器「逆向」移植回CISC指令集架構(gòu)的System/370，效能也比原版快三倍，充分證明針對RISC 發(fā)展的編譯器最佳化技術(shù)，也同樣可改進CISC 處理器軟件執(zhí)行效能，反正能減少上下其手存儲器，都不啻是好事一樁。總之，從CDC6600、ACS 和IBM 801，能對RISC 做以下總結(jié)：2.RISC「精簡」的是指令格式與運算元定址模式，不是指令數(shù)目。3.存儲器載入（Load）回存（Store）都由專屬指令負責。4.盡量使用硬件線路（Hardwired）實做指令，避免采用微碼（Microcode）產(chǎn)生控制訊號。5.預設最少要有32個數(shù)據(jù)寄存器與3 運算元（A = B + C）。6.因應高級語言普及，編譯器（Compiler）技術(shù)在效能層面扮演舉足輕重角色。但IBM 801的傳奇并未劃下句點，更大挑戰(zhàn)即將現(xiàn)身John Cocke 等人眼前：1982 年以IBM 801 的成就為地基，IBM 啟動Cheetah（獵豹）計劃，借實作多組執(zhí)行單元，讓RISC 在單一時脈周期內(nèi)執(zhí)行多道指令，也就是同時執(zhí)行一個以上指令的「超標量」（Superscalar）流水線，結(jié)合讓RISC搶灘個人電腦市場的努力（ROMP、RT PC、PowerPC），鋪陳藍色巨人橫越超過半世紀的壯麗RISC 發(fā)展史。▲ 筆者一直很討厭RISC-V 陣營老愛把RISC 說得好像橫空出世的偉大發(fā)明，就算不提IBM，RISC 起源甚至可追溯至1964年的CDC6600，距今超過半個世紀。如果還沒忘記上一篇提到的IBM System/360，就會馬上理解服務器的世界，無論CISC 還是RISC，最頂端的高端產(chǎn)品，依舊清一色是IBM 天下。不過論世界第一個「兼具超標量、亂序與預測指令執(zhí)行的RISC 處理器」，一般認定是1990 年IBM Power1（限浮點運算） 或1993 年IBM PowerPC 601，但其實早在1978 年蘇聯(lián)Elbrus-1 實現(xiàn)，只是蘇聯(lián)解體、冷戰(zhàn)結(jié)束后才逐漸被世人知悉。筆者更好奇的是，當代兩位大師合著的兩本經(jīng)典教科書《計算機體系架構(gòu)：量化研究方法》，何時會探討俄國人的計算機領域成就？面向AIoT的RISC-V原生操作系統(tǒng)研究深度報告：RISC-V異構(gòu)IoT全新架構(gòu)RISC-V芯片產(chǎn)業(yè)指令集架構(gòu)研究玄鐵C910實現(xiàn)RISC-V用戶自定義指令面向AIoT的RISC-V原生操作系統(tǒng)研究
RISC-V手冊開源指令集指南
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