> ## Content Index > Fetch the complete content index at: https://huizhou92.com/llms.txt > Use this file to discover other available public pages before exploring further. # 面对 CDC 6600 的竞争，Robert Tomasulo 为 IBM Model 91 设计了动态调度算法 - URL: https://huizhou92.com/robert-tomasulo-ibm-model-91-out-of-order/ - Published: 2026-11-04T13:59:11.000Z - Updated: 2026-11-04T13:59:11.000Z - Description: IBM Model 91 只制造了 15 台，却留下了影响深远的动态调度思路。三张动图解释 Tomasulo 如何用标签区分数据，减少四个浮点寄存器反复使用造成的等待。 - Author: huizhou92 - Tags: #lang-zh-cn 在[上一篇 CDC 6600 的文章](https://mp.weixin.qq.com/s/AF2iiWYjmF7QqUKfvfeiSQ?ref=huizhou92.com)里，我们讲了 Seymour Cray 和 James Thornton 如何用紧凑布线、外围处理器和记分板，把多个功能单元组织起来，造出了当时最先进的超级计算机。 那篇文章还留下了另一条线索：IBM 曾发布与 CDC 6600 竞争的 Model 92，但最终未能按原计划交付。经过调整后，IBM 在 1967 年交付 Model 91。 Model 91 的浮点单元目标也是让多个运算部件同时工作，但 IBM 面临另一道约束：System/360 的指令集只提供 **4 个架构浮点寄存器**。如果程序反复使用同一个寄存器，原本彼此独立的运算也可能因此互相等待。 负责浮点单元设计的 Robert Tomasulo 为此设计了一套动态调度机制。它让指令等待真正需要的数据，同时减少寄存器重复使用造成的停顿。 ### 从 Model 92 到 Model 91 IBM 在 1961 年启动了代号为 **Project X** 的高性能计算机研究计划，后来将它纳入 System/360 体系。1963 年，CDC 发布了 6600；IBM 董事长小托马斯·沃森在内部备忘录里追问，为什么对手能够率先推出更强大的机器。 IBM 随后在 1964 年公布了 Model 92。该型号最终没能按照原计划交付。[IBM 后来推出了使用磁芯存储器的 Model 91 以及使用薄膜存储器的 Model 95](https://mark.people.clemson.edu/acs.html?ref=huizhou92.com)。 但是这台机器总共只制造了 **15 台**，其中 4 台还留在了 IBM 内部。 ![NASA 的 IBM System/360 Model 91](https://images.hxzhouh.com/blog-images/2026/11/f9bb29df68e9e358df794dfb0ba4e1a6.jpg) *IBM System/360 Model 91，摄于 1960 年代。Source: NASA，摄影者未署名，Public Domain，经* [*Wikimedia Commons*](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:360-91-panel.jpg?ref=huizhou92.com) *获取。* 虽然 Model 91 的制造数量有限，但其浮点单元为动态调度和寄存器重命名提供了影响后世的思路。要看清 Model 91 做了什么，还得先回到 CDC 6600 的记分板功能。 ### 记分板能解决什么，又解决不了什么 上一篇讲过，CDC 6600 有多个功能单元：有的负责加法，有的负责乘法和除法。它们可以同时工作，不必让一条缓慢的除法指令挡住所有计算。 协调这些部件的是**记分板（Scoreboard）**。它检查部件是否空闲、指令所需的数据是否准备好，再让符合条件的运算继续。指令按顺序发出，但开始计算和完成的顺序可以不同。 但有些等待并非源于真正的数据依赖。 假设一条指令需要前一次除法的结果，那么它必须等到除法完成。这是必要的等待：数据还没算出来。 另一种情况是，两条本来互不相关的指令，恰好使用了同一个寄存器。寄存器是处理器中用于暂存数据的小空间；如果后面的指令要将新数据写进去，而前面的指令还需要旧数据，硬件就得让它等一等。 这里限制并不来自计算本身，而是来自两条指令使用了同一个位置。记分板能发现冲突并阻止错误，但它通常需要通过等待来处理这类冲突。[Thornton 在 CDC 6600 设计著作中](https://archive.computerhistory.org/resources/text/CDC/cdc.6600.thornton.design%5Fof%5Fa%5Fcomputer%5Fthe%5Fcontrol%5Fdata%5F6600.1970.102630394.pdf?ref=huizhou92.com)详细描述了这些检查。 ![记分板为什么等待写回](https://images.hxzhouh.com/blog-images/2026/11/fd45484b2786798ae0f380c0930c484a.gif) *程序绘制的教学动画（Illustration）。早先的指令还在等除法结果，因此尚未读取寄存器 R 中的旧值 10；后来的指令虽然已算出 99，也必须等旧值被读走后再写入。数值用于示意，不是原机测试数据。 三图均为基于* [*Tomasulo 原论文*](https://courses.grainger.illinois.edu/ece511/fa2005/papers/Tomasulo.1967.IBMJRD.pdf?ref=huizhou92.com)*与* [*Thornton 原著*](https://archive.computerhistory.org/resources/text/CDC/cdc.6600.thornton.design%5Fof%5Fa%5Fcomputer%5Fthe%5Fcontrol%5Fdata%5F6600.1970.102630394.pdf?ref=huizhou92.com)*的简化说明，不代表精确时序或完整硬件拓扑。* ### IBM 只有四个浮点寄存器 这种问题对 IBM 尤其棘手。System/360 家族需要维持软件兼容性，但其指令集只提供 4 个浮点寄存器，编号分别为 0、2、4、6。程序中的浮点计算反复使用这些名字，很容易导致寄存器空间被重复占用。 ![IBM Model 91 控制台](https://images.hxzhouh.com/blog-images/2026/11/f21c103fd1a088db370fc77eb51f7529.jpg) *IBM System/360 Model 91 控制台，2007 年摄于计算机历史博物馆。Photo by Carlo Nardone，*[*CC BY-SA 2.0*](https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/?ref=huizhou92.com)*，经* [*Wikimedia Commons*](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:IBM%5FSystem%5F360%5FModel%5F91%5F%281966%29%5Fconsole%5F-%5FComputer%5FHistory%5FMuseum%5F%282007-11-10%5F23.06.26%5Fby%5FCarlo%5FNardone%29.jpg?ref=huizhou92.com) *获取；仅缩小尺寸。* 想象一个程序要处理一串数字：先把第一个数字装进寄存器，完成乘法，再保存结果；接着处理第二个数字。即使两次乘法处理的是不同数字，程序也可能因为复用了同一个寄存器名字而产生等待。 等待并不意味着机器永远停住，也不代表所有部件都无法工作。但当昂贵的运算部件有能力继续工作、却因为这些名字冲突而闲置时，机器就浪费了本可利用的并行能力。 Tomasulo 要解决的问题是：**能否让硬件记住每条指令真正需要哪个数据，而不是只盯着程序反复使用的寄存器名字？** ### 给等待中的数据贴上标签 1967 年，Tomasulo 在《IBM Journal of Research and Development》发表了论文 [《An Efficient Algorithm for Exploiting Multiple Arithmetic Units》](https://courses.grainger.illinois.edu/ece511/fa2005/papers/Tomasulo.1967.IBMJRD.pdf?ref=huizhou92.com)，介绍 Model 91 浮点单元采用的方法。 他的办法可以分成三步。 第一，将暂时无法计算的指令放到运算部件前面的**保留站（Reservation Station）**。那里可以保存指令，也可以等待它所需的数据。Model 91 的加法单元前有三个保留站，乘除单元前有两个；后者共享一个乘除执行单元，不能同时执行两次乘除。 第二，给尚未算出的结果贴上标签。指令进入保留站时，如果所需数据已准备好，则保存该值；如果数据仍在计算中，则记录负责生成它的部件标签。 ![标签如何区分同名寄存器的新旧结果](https://images.hxzhouh.com/blog-images/2026/11/1bf83c1c884cd79246f2165fd3479cd9.gif) *程序绘制的教学动画（Illustration）。F0 先指向生产者 A，随后被新指令改为指向 B；早先的消费者仍记得自己等待 A。A 的结果到达时，消费者接收它，但结果不能覆盖已改挂 B 标签的 F0。 三图均为基于* [*Tomasulo 原论文*](https://courses.grainger.illinois.edu/ece511/fa2005/papers/Tomasulo.1967.IBMJRD.pdf?ref=huizhou92.com)*与* [*Thornton 原著*](https://archive.computerhistory.org/resources/text/CDC/cdc.6600.thornton.design%5Fof%5Fa%5Fcomputer%5Fthe%5Fcontrol%5Fdata%5F6600.1970.102630394.pdf?ref=huizhou92.com)*的简化说明，不代表精确时序或完整硬件拓扑。* 第三，结果算出后，通过**通用数据总线（Common Data Bus，CDB）** 发送结果和标签。等待该结果的部件在看到匹配的标签后接收数据；至于何时开始下一步运算，则取决于其他数据是否就绪、运算单元是否空闲。 ![CDB 将结果送给等待相同标签的指令](https://images.hxzhouh.com/blog-images/2026/11/37d38582e589b12965684bca5ef23d57.gif) *程序绘制的教学动画（Illustration）。A 广播结果 6，两个等待 A 的消费者都能接收；等待 B 的消费者继续等待。收到结果并不保证立即开始计算。 三图均为基于* [*Tomasulo 原论文*](https://courses.grainger.illinois.edu/ece511/fa2005/papers/Tomasulo.1967.IBMJRD.pdf?ref=huizhou92.com)*与* [*Thornton 原著*](https://archive.computerhistory.org/resources/text/CDC/cdc.6600.thornton.design%5Fof%5Fa%5Fcomputer%5Fthe%5Fcontrol%5Fdata%5F6600.1970.102630394.pdf?ref=huizhou92.com)*的简化说明，不代表精确时序或完整硬件拓扑。* 这样，即使后面的指令重新使用了同一个寄存器名字，先前的指令仍然知道自己等待的是哪一个结果。硬件把程序里有限的寄存器名字，与尚在计算中的不同结果区分开来。这就是**寄存器重命名**的核心思路。 需要强调的是，重命名不能消除所有等待：如果后一个计算确实需要前一个计算的结果，它仍然必须等。它消除的是寄存器名字重复使用带来的部分假相关，而硬件资源占用和数据传输也会造成等待。 Tomasulo 在论文里分析了一个内层循环。在论文的比较条件下，不使用 CDB 时，一轮需要 17 个时钟周期；使用 CDB 后只需要 **11 个时钟周期**。这是针对该例子的理论分析，不能直接作为所有程序的实测结果。 ### 商业沉浮与微处理器时代的文艺复兴 然而，商业与工程制造的残酷现实并未给 Model 91 铺就坦途。 Model 91 采用 IBM 的 ASLT（Advanced Solid Logic Technology）高速逻辑电路，机器周期为 60 纳秒。设计还需处理存储器与处理器之间的速度差距。[IBM 功能手册](https://www.bitsavers.org/pdf/ibm/360/functional%5Fcharacteristics/GA22-6907-3%5F360%5F91%5FFunc%5FChar%5FNov71.pdf?ref=huizhou92.com) 与此同时，1968 年 CDC 对 IBM 提起了私人反垄断诉讼，诉讼最终于 1973 年和解；现有资料不足以证明该诉讼导致 Model 91 停产。Model 91 最终只生产了 15 台。这个数量没有形成广泛的装机基础。 这套写进论文的动态调度思路，后来也出现在微处理器设计中。 转机发生在摩尔定律狂飙的 1990 年代。 随着半导体工艺的进步，微处理器能够容纳更多的晶体管。设计者也在探索如何利用更多指令级并行，并应对运行时才能确定的依赖和延迟。 硬件动态调度成为处理器设计者采用的一条路径。 由 Robert Colwell 领导的 Intel P6 团队，在设计 1995 年问世的 **Pentium Pro** 时，也需要处理有限的寄存器数量和复杂的指令集：当时的 x86 架构提供 8 个通用寄存器。 P6 延续了动态调度和重命名的思路： 他们在前端设计了译码器，将复杂的 x86 CISC 指令切碎为精简的微操作（μops）；随后，这些微操作被送入拥有 20 项条目的保留站（Reservation Station）进行动态发射。P6 还使用 **重排序缓冲区（Reorder Buffer, ROB）**，使微操作可以乱序执行，并按程序顺序退休（In-order Retirement）。[P6 微架构论文](https://courses.grainger.illinois.edu/ece511/fa2005/papers/Papworth.1996.Micro.pdf?ref=huizhou92.com) 后来的处理器也采用了不同的组织方式。以 MIPS R10000 为例，它采用**物理寄存器堆（Physical Register File, PRF）**保存重命名结果，执行单元直接读写这些寄存器。[设计者论文](https://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall10/cos375/Yeager.1996.Micro.pdf?ref=huizhou92.com) 许多现代高性能处理器仍使用动态重命名消除寄存器假相关，并根据数据就绪情况调度指令。它们的调度器、寄存器堆和结果转发网络，在具体实现上已经各不相同。 1997 年，IEEE 计算机学会与 ACM 将**埃克特-莫克利奖（Eckert-Mauchly Award）** 授予了 Robert Tomasulo，以表彰 Tomasulo 算法对乱序执行处理器设计的贡献。 虽然 Model 91 只造了 15 台，但它对操作数等待、结果广播和寄存器重命名的处理，为后来的处理器设计留下了一套可以继续发展的思路。