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新(xin)智(zhi)元(yuan)報(bao)道(dao)

作(zuo)者(zhe)：StarryHeavensAbove（唐(tang)杉(shan)）

編(bian)輯(ji)：Aeneas

【新智元導(dao)讀(du)】计算机体系结构經(jing)過(guo)了(le)漫(man)長(chang)的(de)发展史，本(ben)文(wen)為(wei)您(nin)詳(xiang)細(xi)介(jie)紹(shao)。

2021年(nian)春(chun)節(jie)，我(wo)有(you)幸(xing)參(can)與(yu)了《计算机体系结构：量(liang)化(hua)研(yan)究(jiu)方(fang)法(fa)（第(di)6版(ban)）》中(zhong)文譯(yi)本的審(shen)校(xiao)工(gong)作。之(zhi)後(hou)，更(geng)多(duo)專(zhuan)家(jia)加(jia)入(ru)，最(zui)近(jin)終(zhong)稿(gao)幾(ji)近完(wan)成(cheng)。和(he)大(da)部(bu)分(fen)参与其(qi)中的朋(peng)友(you)一樣(yang)，這(zhe)段(duan)经歷(li)對(dui)我來(lai)说更多的是(shi)”重(zhong)溫(wen)经典(dian)“的过程(cheng)，也(ye)是進(jin)一步(bu)學(xue)習(xi)和思(si)考(kao)的机會(hui)。

对这部書(shu)的價(jia)值(zhi)，相(xiang)信(xin)大家都(dou)非(fei)常(chang)清(qing)楚(chu)。但(dan)可(ke)能(neng)不(bu)是所(suo)有朋友都了解(jie)，这部书印(yin)刷(shua)部分包(bao)括(kuo)的是正(zheng)文的7個(ge)章(zhang)节和A，B，C三(san)个附(fu)錄(lu)，而(er)剩(sheng)下(xia)的D-M的10个附录是可以(yi)在(zai)书籍(ji)網(wang)站(zhan)上(shang)免(mian)費(fei)下載(zai)閱(yue)读的（网站還(hai)有一些(xie)其它(ta)很(hen)有价值的資(zi)源(yuan)，可通(tong)过文后原(yuan)文鏈(lian)接(jie)訪(fang)問(wen)）。

这些附录也包含(han)了大量有价值的信息(xi)。其中，附录M：Historical Perspectives and References，尤(you)为有趣(qu)，读后收(shou)獲(huo)頗(po)豐(feng)。因(yin)此(ci)，我想(xiang)在这本经典书籍的中文译本即(ji)將(jiang)出(chu)版之際(ji)，翻(fan)译並(bing)分享(xiang)这部分介绍计算机体系结构发展历程的內(nei)容(rong)，相信大家也会和我一样有所啟(qi)发。

T.S.

P.S. 这部分内容有大量的专業(ye)詞(ci)匯(hui)和专有名(ming)稱(cheng)，为了減(jian)少(shao)歧(qi)義(yi)，一些地(di)方保(bao)留(liu)了原文。

If … history … teaches us anything, it is that man in his quest for

knowledge and progress is determined and cannot be deterred.

John F. Kennedy

Address at Rice University (1962)

Those who cannot remember the past are condemned to repeat it.

George Santayana

The Life of Reason (1905), Vol. 2, Chapter 3

M.1 簡(jian)介

本附录提(ti)供(gong)了《计算机体系结构：量化研究方法（第6版）》中一些關(guan)鍵(jian)思想和技(ji)術(shu)的历史背(bei)景(jing)。通过觀(guan)察(cha)一系列(lie)的计算机机型(xing)，或(huo)通过描(miao)述(shu)重要(yao)的項(xiang)目(mu)，可以追(zhui)蹤(zong)一个想法是如(ru)何(he)发展的。

如果(guo)读者有興(xing)趣了解某(mou)个特(te)定(ding)概(gai)念(nian)或机型，或进行(xing)更深(shen)入的阅读，可以在每(mei)个部分的末(mo)尾(wei)找(zhao)到(dao)更多参考资料(liao)。

M.2节从數(shu)字(zi)计算机的发明(ming)開(kai)始(shi)談(tan)起，对應(ying)於(yu)书籍的第1章。

关于存(cun)儲(chu)器(qi)層(ceng)次(ci)结构（memory hierarchy）的M.3节对应于第2章和附录B。

关于指(zhi)令(ling)集(ji)架(jia)构（instruction set architecture）的M.4节涵(han)蓋(gai)了附录A，J和K。

关于流(liu)水(shui)線(xian)和指令級(ji)并行（pipelining and instruction-level parallelism）的M.5节对应于第3章以及(ji)附录C和H。

关于向(xiang)量机（vector），SIMD和GPU架构中的数據(ju)并行（data-level paral- lelism）的M.6节对应于第4章。

关于多處(chu)理(li)器（multiprocessors）和并行编程（parallel programming）的M.7节涉(she)及第5章及附录F，G和I。有关集群(qun)（cluster）的发展的M.8节涉及第6章。

最后，关于I/O技术的M.9，对应于附录D。

註(zhu)：本系列文章的劃(hua)分也基(ji)本参照(zhao)原文的方式(shi)。

M.2 The Early Development of Computers (Chapter 1)

在这个部分，我們(men)主(zhu)要討(tao)論(lun)数字计算机的早(zao)期(qi)发展狀(zhuang)況(kuang)以及性(xing)能測(ce)量方法的演(yan)进。

The First General-Purpose Electronic Computers

Moore School of the University of Pennsylvania的J. Presper Eckert和John Mauchly打(da)造(zao)了 世(shi)界(jie)上第一臺(tai)可運(yun)行的電(dian)子(zi)通用(yong)计算机，該(gai)机器称为ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator） ，由(you)美(mei)陸(lu)軍(jun)资助(zhu)，在第二(er)次世界大戰(zhan)期間(jian)投(tou)入使(shi)用，但直(zhi)到1946年才(cai)公(gong)开。

ENIAC用于计算火(huo)炮(pao)彈(dan)道射(she)擊(ji)表(biao)。ENIAC規(gui)模(mo)巨(ju)大，100英(ying)尺(chi)长，8.5英尺高(gao)，几英尺寬(kuan)。20个十(shi)位(wei)数字的寄(ji)存器每个都长2英尺。總(zong)共(gong)有18,000个真(zhen)空(kong)电子管(guan)。

盡(jin)管ENIAC大小(xiao)比(bi)現(xian)在一般(ban)的计算机大三个数量级，但速(su)度(du)卻(que)慢(man)了五(wu)个数量级以上。一个加法运算的時(shi)间为200微(wei)秒(miao)。ENIAC提供了條(tiao)件(jian)跳(tiao)轉(zhuan)，是可编程的，这是与早期计算器的明顯(xian)區(qu)別(bie)。

编程是通过插(cha)入电纜(lan)和設(she)置(zhi)开关手(shou)動(dong)完成的，通常需(xu)要半(ban)小时到一整(zheng)天(tian)的时间。数据由打孔(kong)卡(ka)提供。ENIAC的应用主要受(shou)到存储量少和编程繁(fan)瑣(suo)的限(xian)制(zhi)。

1944年，約(yue)翰(han)·冯·诺依曼（John von Neumann）加入ENIAC项目。该小組(zu)希(xi)望(wang)改(gai)进程序(xu)輸(shu)入的方式，并讨论了将程序存储为数字的问題(ti)。

冯·诺依曼将这些想法具(ju)体化，并寫(xie)了一份(fen)備(bei)忘(wang)录，提出一種(zhong)名为EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）的存储程序（stored-program）计算机。

赫(he)爾(er)曼·戈(ge)德(de)斯(si)汀(ting)（Herman Goldstine）分发了这个备忘录，并在上面(mian)写下了冯·诺伊(yi)曼的名字。而Eckert和Mauchly的名字被(bei)省(sheng)略(lve)了，这令他(ta)们沮(ju)喪(sang)不已(yi)。

这份备忘录成为我们常用的术語(yu) 「冯·诺依曼计算机」的基礎(chu)。

几位计算机領(ling)域(yu)的早期发明者認(ren)为，雖(sui)然(ran)冯·诺伊曼把(ba)一个好(hao)的想法概念化并撰(zhuan)写下来，但他获得(de)了过多贊(zan)譽(yu)，而真正實(shi)现这些机器的工程師(shi)Eckert和Mauchly的貢(gong)獻(xian)沒(mei)有获得足(zu)夠(gou)的认可。

像(xiang)大多数历史学家一样，本书作者（2000年IEEE冯·诺伊曼獎(jiang)章的获得者）认为，这三个人(ren)在开发存储程序计算机中都发揮(hui)了关键作用。

冯·诺依曼在描述和泛(fan)化基本思想，思考编程问题方面的所扮(ban)演了重要角(jiao)色(se)，这对于将基本思想傳(chuan)播(bo)給(gei)更廣(guang)泛的受眾(zhong)至(zhi)关重要。

1946年，劍(jian)橋(qiao)大学的Maurice Wilkes参观了Moore School，参加了有关电子计算机发展的一系列講(jiang)座(zuo)的后半部分。當(dang)他回(hui)到剑桥时，Wilkes決(jue)定著(zhu)(zhe)手建(jian)立(li)一个名为EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Calculator）的存储程序计算机的项目。

EDSAC使用汞(gong)延(yan)遲(chi)线（mercury delay lines）作为存储器；因此，其名称中使用 「 延迟存储」 这个词汇。EDSAC于1949年投入使用，是世界上第一台全(quan)规模运行的存储程序计算机 [ Wilkes, Wheeler, and Gill 1951; Wilkes 1985, 1995 ] 。

一个名为Mark I的小型原型机由曼徹(che)斯特大学制造，于1948年运行，可以称为第一台可运行的存储程序计算机。EDSAC是一种基于累(lei)加器的架构。这种風(feng)格(ge)的指令集架构一直流行到70年代(dai)初(chu)。（附录A以EDSAC指令集的简要摘(zhai)要开頭(tou)。）

1947年，Mauchly協(xie)助成立了國(guo)际计算机协会（Association for Computing Machinery）。他曾(zeng)擔(dan)任(ren)ACM的第一任副(fu)总裁(cai)和第二任总裁。同(tong)年，Eckert和Mauchly申(shen)請(qing)了电子计算机专利(li)。

Moore School的院(yuan)长要求(qiu)他们将专利移(yi)交(jiao)给该大学，这可能是Eckert和Mauchly最终離(li)开项目的原因。他们的离开嚴(yan)重影(ying)響(xiang)了EDVAC项目，该项目直到1952年才开始运作。

Goldstine于1946年离开Institute for Advanced Study at Princeton加入冯·诺伊曼。他们与Arthur Burks一起，根(gen)据1944年的备忘录发表了一份报告(gao)[ Burks, Goldstine, and von Neumann 1946]。

Princeton’s Institute for Advanced Study的Julian Bigelow受到该论文的启发制造了IAS计算机。它总共有1024个40-bit的字，比ENIAC快(kuai)10倍(bei)左(zuo)右(you)。

该小组考慮(lv)了机器的用途(tu)，发布(bu)了一系列报告，并鼓(gu)勵(li)大家使用。这些报告和使用者的参与激(ji)发了許(xu)多新计算机的开发，包括IBM的第一台基于IAS的计算机701。

Burks，Goldstine和冯·诺伊曼的论文在这段时期是令人難(nan)以置信的。这篇(pian)论文讨论了现代计算机中的大多数体系结构设计的概念，直到今(jin)天，我们很难想象(xiang)这篇具有裏(li)程碑(bei)意(yi)义的论文是50多年前(qian)撰写的（请参見(jian)第2章开头的引(yin)言(yan)）。

在ENIAC的同一时期，Howard Aiken在哈(ha)佛(fo)设计了一种称为Mark-I的机电计算机。Mark-I是由一个来自(zi)IBM的工程师團(tuan)隊(dui)制造的。緊(jin)隨(sui)Mark-I之后，他建造了了繼(ji)电器式计算机（relay machine）Mark-II，以及兩(liang)种真空电子管计算机Mark-III和Mark-IV。

Mark-III和Mark-IV是在第一批(pi)存储程序计算机之后制造的。由于它们具有分开的指令和数据存储器，这些机器被存储程序计算机的倡(chang)导者視(shi)为「反(fan)潮(chao)流」的。 哈佛架构（ Harvard architecture ）一词就(jiu)是为了描述此類(lei)机器而創(chuang)造的。

尽管与原始含义明显不同，但该术语在今天用于表示(shi)具有單(dan)个主存储器但具有单獨(du)的指令和数据高速緩(huan)存的计算机。

MIT的Whirlwind项目[ Redmond and Smith 1980 ]始于 1947年开始，目標(biao)是应用于实时雷(lei)達(da)信號(hao)处理。尽管它產(chan)生(sheng)了很多发明，但其最重要的创新是创造了磁(ci)芯(xin)存储器（magnetic core memory），这是第一种可靠(kao)且(qie)廉(lian)价的存储技术。

Whirlwind有2048个16位字的磁芯。磁芯存储器成为近30年的主要存储技术。

Important Special-Purpose Machines

二战期间，英国和美国的主要计算工作都集中在专用的密(mi)碼(ma)破(po)解计算机上。英国的工作旨(zhi)在解密德国Enigma编码机加密的消(xiao)息。这项工作在一个名为Bletchley Park的地方进行，导致(zhi)了两台重要计算机的誕(dan)生。

第一台是由艾(ai)倫(lun)·圖(tu)靈(ling)（Alan Turing）构想的机电机器（electromechanical machine），称为BOMB[ see Good in Metropolis, Howlett, and Rota 1980 ] 。

第二台更大的电子计算机是由Newman and Flowers构思和设计的，被称为COLOSSUS[ see Randall in Metropolis, Howlett, and Rota 1980 ] 。

这些计算机是高度专业化的密码分析(xi)机，通过解密已编码消息（尤其是发送(song)到U艇(ting)的消息），在战爭(zheng)中发挥了至关重要的作用。

在Bletchley Park的工作是高度机密的（实际上，其中一些仍(reng)处于机密状態(tai)）。因此，很难追踪这些工作对于ENIAC，EDSAC和其它计算机项目的直接影响，但这些工作無(wu)疑(yi)对计算机技术的发展和了解其中的关键问题产生间接的影响。

在美国，用于密码分析的专用计算机也有类似(si)的经历。这项工作最直接的派(pai)生公司(si)是Engineering Research Associates (ERA)[ see Thomash in Metropolis, Howlett, and Rota 1980 ] 。

该公司是战后成立的，旨在将创新技术思想进行商(shang)业化。ERA制造了几台计算机，出售(shou)给了保密的政(zheng)府(fu)机构，最终被Sperry-Rand收購(gou)，后者在早些时候(hou)还收购了Eckert Mauchly Computer Corporation公司。

值得一提的另(ling)一套(tao)早期计算机是由Konrad Zuse在30年代末和40年代初在德国制造的一组专用机器[ see Bauer and Zuse in Metropolis, Howlett, and Rota 1980 ] 。

除(chu)生产了可运行的计算机外(wai)，Zuse还是第一个实现浮(fu)點(dian)运算的人（冯·诺依曼认为这是不必(bi)要的！），他早期的机器使用的机械(xie)存储（mechanical store），比当时的其它的机电解决方案(an)要小。他的最后一台计算机是机电的，但由于战争，这项工作没有完成。

John Atanasoff是电子计算机发展中另一位重要的早期贡献者，他在40年代初建造了小型电子计算机[ Atanasoff 1940 ] 。他的机器，称为Atanasoff Berry Computer（ABC），由愛(ai)荷(he)華(hua)州(zhou)立大学设计，是一台一直无法完全运行的专用计算机。

Mauchly在建造ENIAC之前曾短(duan)暫(zan)访问过Atanasoff，而Atanasoff的一些想法（例(li)如使用二进制表示法）可能影响了Mauchly。

Atanasoff机器的存在，ENIAC专利的延迟（由于该工作的保密性，直到战后才可以申请专利），以及冯·诺依曼的EDVAC论文的发布，都被用来打破Eckert– Mauchly专利[ Larson 1973 ] 。

John Atanasoff对计算机的发明所起的作用仍然存在争議(yi)，Eckert和Mauchly通常被认为是第一台可运行的通用电子计算机的建造者[ Stern 1980 ] 。

尽管如此，Atanasoff的计算机展示了后来的计算机中用到的几项重要创新。Atanasoff的工作值得称赞，公平(ping)的说，他应该因世界上第一台专用电子计算机，以及可能对Eckert和Mauchly的工作产生的影响而获得榮(rong)誉。

Commercial Developments

1947年12月(yue)，Eckert和Mauchly组建了Eckert-Mauchly Computer Corporation。他们的第一台计算机，BINAC，是为Northrop制造的，于1949年8月展示。

在出现一些经濟(ji)困(kun)难之后，Eckert-Mauchly Computer Corporation被Remington-Rand收购，后更名为Sperry-Rand。

Sperry-Rand整合(he)了Eckert-Mauchly，ERA及其制表业務(wu)，形(xing)成了专門(men)的计算机部门，称为UNIVAC。

今天，这种早期的计算机，以及许多其它许多引人入勝(sheng)的计算机知(zhi)識(shi)，都可以在Computer History Museum in Mountain View, California中看(kan)到。另外，Deutsches Museum in Munich、the Smithsonian Institution in Washington, D.C.，以及许多在线虛(xu)擬(ni)博(bo)物(wu)館(guan)也都展示这些早期计算机系統(tong)。

早期主要覆(fu)盖打孔卡和辦(ban)公自动化业务领域的IBM一直到1950年才开始制造计算机。

第一台IBM计算机是IBM 701，基于冯·诺伊曼的IAS机器，于1952年出廠(chang)，最终銷(xiao)售了19套[ see Hurd in Metropolis, Howlett, and Rota 1980 ] 。

在50年代初，许多人对计算机的未(wei)来感(gan)到悲(bei)观，认为这些“高度专业化”的计算机的市(shi)場(chang)机会相当有限。尽管如此，IBM迅(xun)速成为最成功(gong)的计算机公司。他们对可靠性的重视以及以客(ke)戶(hu)和市场为导向的战略是成功的关键。

尽管701和702取(qu)得的成績(ji)还不算耀(yao)眼(yan)，但后續(xu)机型650、704和705（分别于1954年和1955年交付(fu)）取得了巨大的成功，各(ge)自的销售量分别为132到1800台。

时至今日(ri)，计算机的先(xian)驅(qu)们已经写了好几本介绍早期计算机的著作[ Goldstine 1972; Wilkes 1985, 1995 ] ，以及Metropolis, Howlett, and Rota [1980]，这些著作記(ji)录了早期开拓(tuo)者的回憶(yi)。

此外，还有许多圍(wei)繞(rao)历史人物的独立的著作[ Slater 1987 ]；以及 一本致力(li)于讲述计算历史的期刊(kan)，《计算历史年鑒(jian)》（Annals of the History of Computing）。

Development of Quantitative Performance Measures: Successes and Failures

在计算机发展的早期，设计人員(yuan)就设定了性能目标，比如，ENIAC希望比哈佛Mark-I快1000倍；IBM Stretch（7030）則(ze)要求比现有最快的机器快100倍。

不过，当时人们尚(shang)不清楚如何对这种性能指标进行評(ping)测。回顧(gu)过去(qu)，我们可以看到一个始终如一的规律(lv)，即 每一代计算机都淘(tao)汰(tai)了上一代的性能评测技术。

最初的性能衡(heng)量标準(zhun)是執(zhi)行单个操(cao)作（例如：加法运算）的时间。由于大多数指令执行时间相同，因此一个指令的执行时间就可以讓(rang)我们了解其它指令的情(qing)况。

然而，随着计算机中指令的执行时间變(bian)得越(yue)来越多样化，单独一个操作的运行时间对于性能的比較(jiao)来说已经用处不大。为了反映(ying)这些差(cha)異(yi)，通常会计算“混(hun)合指令组”（instruction mix）的运行时间，这种指令组合是通过测量计算机中许多程序中指令的相对頻(pin)率(lv)来確(que)定的。

The Gibson mix[ Gibson 1970 ] 是一种早期流行的指令组合。将每个指令的时间乘(cheng)以其在指令组中的權(quan)重即可计算出平均(jun)指令执行时间。（如果以时鐘(zhong)周(zhou)期为单位，则平均指令执行时间与每条指令的平均周期相同。）

由于不同计算机的指令集是大致相似的，在进行比较的时候，这种方法更为准确。后来更常用的MIPS（Millions of instructions per second）方法，就是计算平均指令执行时间的倒(dao)数。相较而言，MIPS的好处是外行人更容易(yi)理解。

随着CPU变得越来越復(fu)雜(za)，以及对内存层次架构和流水线的依賴(lai)越来越高，每条指令的执行时间受到很多因素(su)影响，不再(zai)是一个单一的值，MIPS值也已经无法从指令组合和手冊(ce)中计算出来。因此出现了使用核(he)程序（Kernels）和合成程序（Synthetic Programs）进行基准测試(shi)的方法。

Curnow和Wichmann [ 1976 ] 通过测量用Algol 60编写的科(ke)学计算程序创建了Whetstone测试程序。该程序后来转換(huan)为FORTRAN，并广泛用于表征(zheng)科学计算程序的性能。

McMahon [ 1986 ]和Lawrence Livermore Laboratory的研究人员針(zhen)对类似的目标，设计了Livermore FORTRAN Kernels，试图为超(chao)级计算机建立基准测试。与Whetstone不同的是，这些核程序是由来自真实程序中的循(xun)環(huan)体而组成。

很显然，MIPS无法比较具有不同指令集的体系结构，因此人们设计了relative MIPS的概念。当VAX-11/780准备在1977年发布时，DEC运行了一些小型基准测试，这些基准测试也在IBM 370/158上运行。

IBM的市场部分将370/158称为1 MIPS计算机。由于这些程序以相同的速度运行，因此DEC的市场部门也将VAX-11/780称为1 MIPS计算机。

对于计算机M来说，其relative MIPS（基于某些参考机器）定义为：

VAX-11/780的流行使其成为relative MIPS的流行参考机型（特别是因为1 MIPS计算机的relative MIPS易于计算）。如果一台计算机在运行某个基准测试程序时比VAX-11/780快五倍，则在这个基准测试下其评分是5个relative MIPS。

VAX-11/780机型的1 MIPS的评分在前4年内并没有受到質(zhi)疑，直到DEC的Joel Emer在分时負(fu)载下测量VAX-11/780时，发现VAX-11/780的本机MIPS等(deng)级应为0.5。

随后运行某些基准测试程序达到3个MIPS的VAX计算机就被称为6 MIPS机器，因为它们的运行速度比VAX-11/780快六(liu)倍。到1980年代初，术语MIPS几乎(hu)普(pu)遍(bian)用于表示relative MIPS。

20世紀(ji)70年代和80年代标誌(zhi)着超级计算机行业的发展，其主要特征是追求浮点密集型程序的高性能。平均指令时间和MIPS显然不適(shi)合该行业，因此，MFLOPS（Million Floating-point Operations per Second）被发明，它可以有效(xiao)地衡量浮点应用的基准测试程序执行时间的倒数。

不幸的是，市场營(ying)销团队在超级计算机大战中更多使用峰(feng)值MFLOPS来描述其性能，客户也很快忘记了利用基准测试程序来评价和对比的方法。

SPEC（System Performance and Evaluation Cooperative）成立于80年代后期，旨在改善(shan)基准测试的混亂(luan)状况，并为性能对比提供更有效的依据。该小组最初专注于UNIX市场中的工作站和服(fu)务器，而这仍然是当今这些基准测试的重点。

SPEC基准测试的第一个版本现称为SPEC89。相对传统的的基准测试，使用更实际的应用程序作为基准测试程序是SPEC的重大改进。在将近二十年后的今天，SPEC2006仍然在处理器的基准测试中发挥重要作用。

- 第一部分完 -

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