计算机架构的黄金时代来了

软件和硬件通过一个名为指令集架构的词汇表进行对话(Instructionsetarchitecture，ISA)。20世纪60年代初，IBM有四条不兼容的计算机产品线，每条都有自己的ISA、软件堆栈、I/O系统和利基市场(分别针对小企业、大企业、科研和实时应用)。IBM工程师，包括ACM图灵奖得主FredBroks和Jr.，都认为他们可以创建一个单一的ISA，可以有效地统一所有这四个ISA基础。

他们需要一个技术解决方案，让便宜的8位数据通路计算机和高速的64位数据通路计算机共用一个ISA。这些数据通路是处理器的身体，它们执行算术操作，但相对容易变宽或变窄。对于当时和现在的计算机设计师来说，最大的问题是处理器的大脑——控制硬件。受软件编程的启发，计算先驱和图灵奖获得者MauriceWilkes提出了简化控制的方法。控制可以描述为二维数组，称为控制存储器。这个数组的每一列都对应于一条控制线，每一行都是一个微指令(microinstruction)，而编写微指令则称为微编程(microprogramming)。一个控制存储器包含一个用微指令编写的ISA解释器，因此执行一个常规指令需要多个微指令。这种控制存储器是通过内存实现的，成本远低于逻辑门。

表1列出了IBM于1964年4月7日宣布的四种新型System/360ISA。数据通路的变化范围是8倍，内存容量的变化范围是16倍，时钟频率是4倍，性能是50倍，成本接近6倍。最昂贵的计算机控制存储器是最宽的，因为更复杂的数据通路使用更多的控制线。成本最低的计算机有更窄的控制存储器，因为它们需要更多的时钟周期来执行System/360指令，因为它们需要更多的微指令。

在微编程的推动下，IBM将公司的未来放在了这个新的ISA上，希望它能创新计算行业，为IBM赢得回报。IBM成功宰了这个市场，IBM计算机家族的大型机器后裔在推出55年后仍然每年创造100亿美元的收入。

正如我们反复看到的，虽然市场并不是判断各种技术问题的完美判断，但鉴于结构与商业计算机之间的密切联系，市场最终可以决定那些往往需要大量工程投资的结构创新是否成功。

集成电路、CISC、432、8086、IBMPC。

当计算机开始使用集成电路时，摩尔定律意味着控制存储器可以变得更大。更大的内存反过来又意味着允许使用更复杂的ISA。要知道，1977年推出的VAX-11/780控制存储器为5120字×96位，而前一代仅为256字×56位。

一些制造商选择开放微编程功能，以便选定的客户可以添加定制功能，他们称之为可写控制存储器（WCS）。最著名的WCS计算机是图灵奖得主Chuckthacker和ButlerLampson及其同事于1973年为施乐（Xerox）帕洛阿托研究中心开发的Alto。这实际上是第一台个人计算机（PC），配备了第一个图像显示器（bit-mappeddisplay）和第一个以太网局域网。该新显示器和网络的设备控制器是存储在4096字×32位WCS中的微程序。

20世纪70年代的微处理器（如英特尔的8080）仍处于8个时代，主要依靠汇编语言编写程序。相互竞争的设计师会通过添加新的指令来赶上对方，他们会通过汇编语言示例来展示自己的优势。

戈登·摩尔相信英特尔的下一代ISA将伴随英特尔的一生，所以他聘请了许多聪明的计算机科学博士，并把他们送到波特兰发明优秀的下一代ISA。英特尔最早被命名为8800的计算机架构项目雄心勃勃—这在任何时代都是最雄心勃勃的，显然是20世纪80年代最雄心勃勃的。它具有基于32位的搜索能力、面向对象的架构、位长可变的指令以及Ada用新的编程语言编写的操作传统。

不幸的是，这个雄心勃勃的项目在几年后停止了，迫使英特尔在圣克拉拉开始紧急更换，并于1979年推出了16位微处理器。英特尔给了新团队52周的时间来开发新的8086ISA，并设计和构建芯片。鉴于时间表的紧迫性，该团队实际上将8080的8个寄存器和指令集扩展到16个，最终在3个常规工作周内只用了10周的工作量就完成了ISA的设计。该团队按时完成了8086年的开发，但在发布时并没有引起任何关注。

英特尔很幸运，IBM正在开发一台个人计算机来与AppleII竞争，并需要一个16位微处理器。IBM以前对Motorola68000感兴趣，ISA类似于IBM360，但落后于IBM的激进计划。IBM使用了8086的8位总线版本。IBM于1981年8月12日推出了这款PC，希望到1986年能卖出25万台。事实上，该公司在全球销售了1亿台，为这款紧急替代的英特尔ISA铺平了一个非常光明的未来。

英特尔最初的8800项目更名为iAPX-432，最终于1981年推出，但它需要多个芯片，并有严重的性能问题。该项目于1986年再次终止。今年，英特尔在80386年扩展了16位8086ISA，并将其寄存器从16位扩展到32位。因此，摩尔的预测是正确的——下一代ISA确实会像英特尔一样长寿，但市场选择了8086，而不是专门精心开发的432。正如Motorola68000和iAPX-432的设计师所学到的，市场往往缺乏耐心。

从复杂指令集到精简指令集计算机。

20世纪80年代初，人们对大型控制存储器中大型微程序使用的复杂指令集计算机(CISC)进行了一些研究。Unix表明，即使是操作系统也可以用高级语言编写，关键问题变成了编译器会生成什么指令？而不是编程师会使用什么汇编语言？。硬件/软件接口的显著改进为架构创新带来了机遇。

图灵奖得主杰克和他的同事们为小型计算机开发了更简单的ISA和编译器。作为实验，他们重新设定了自己研究的编译器的目标:只使用IBM360ISA中简单的register操作和load-store数据传输，避免更复杂的指令。他们发现，当使用这个简单的子集时，程序可以快速运行三倍。Emer和clark发现VAX指令中20%的指令需要60%的微代码(microcode)，但这些指令只占实际执行时间的0.2%。

DavidPatterson将在DEC的学术假期投入到研究减少VAX指令中的漏洞上。他认为，如果微处理器制造商遵循这一点。