计算机架构设计带来的机遇与挑战简述

软件通过指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）实现与硬件交互。在20世纪60年代初，IBM共推出了四个彼此不兼容的计算机系列，每个系列都有自己的ISA、软件栈和I/O系统，分别针对小型企业、大型企业、科研单位和实时运算。IBM的工程师们，包括ACM图灵奖得主弗雷德·布鲁克斯（Fred Brooks）在内，都认为能够创建一套新的ISA，将这四套ISA有效统一起来。

这需要一套技术解决方案，让数据位宽（bit-width）为8位的廉价计算机和位宽为64位的昂贵计算机可以共享一个ISA。此外，计算机设计人员共同面临的另一个挑战是处理器的控制硬件。受软件编程设计的启发，计算机先驱人物、图灵奖获得者莫里斯·威尔克斯（Maurice wilkes）提出了简化控制器的思路。控制器被指定为一个二维数组，他称之为“控制存储（control store）”。数组的每一列对应一条控制线，每一行对应一条微指令，写微指令的操作称为微编程例。控制存储包含使用微指令编写的ISA解释器，因此执行一个传统指令需要多个微指令完成。控制存储通过内存实现，这比使用逻辑门的成本要低得多。

IBM于1964年4月7日发布的采用System/360指令集的四种型号计算机。四种型号之间数据位宽相差8倍，内存容量相差16倍，时钟频率相差近4倍，而性能相差50倍，其中M65具有最大的控制存储空间和更复杂的控制线，价格也更加昂贵。而成本最低的机型M30控制硬件简单，控制存储空间最小，但由于需要更多的时钟周期来执行系统指令，因此需要更多的微指令。

通过微程序设计，IBM认为新的ISA将能够彻底底改变计算行业，诹的未来。IBM统治了当时的计算机市场，55年前诞生的IBM大型机，其后代产品现在每年仍能为IBM带来100亿美元的收入。现在看来，尽管市场对技术问题作出的评判还不够完善，但由于硬件系统架构与商用计算机之间的密切联系，市场最终成为计算机体系结构创新是否成功的关键性因素，这些创新往往需要工程人员的大量投入。