K.5 面向大型机的 IBM 360/370 体系结构

引言

“计算机体系结构”一词由 IBM 于 1964 年为 IBM 360 创造。Amdahl、Blaauw 和 Brooks [1964] 用它指代程序员可见的指令集部分。他们认为，属于同一体系结构的计算机系列应能运行同样的软件。这在今天看似理所当然，当时却相当新颖。即使 IBM 已是产业领军企业，在 360 之前也拥有五种不同体系结构。因此，一家公司统一采用一种体系结构的想法十分大胆。360 的设计者希望通过定义共同体系结构，把 IBM 的六个不同部门整合起来。他们给出的定义是：

……机器语言程序员为了给一台计算机编写正确、与时序无关的程序而必须理解的计算机结构。

“机器语言程序员”意味着兼容性甚至在汇编语言层面也成立；“与时序无关”则允许不同的实现。

IBM 360 于 1964 年推出，包含六种型号，最高与最低性能之比为 25∶1。Amdahl、Blaauw 和 Brooks [1964] 讨论了 IBM 360 的体系结构，以及允许多个实现保持目标代码兼容的概念。按我们今天理解的含义，指令集体系结构这一观念是 360 最重要的贡献。它还引入了后来广泛采用的若干重要创新：

1. 32 位体系结构。
2. 采用 8 位字节、按字节寻址的存储器。
3. 8、16、32、64 位数据长度。
4. 32 位单精度和 64 位双精度浮点数据。

1971 年，IBM 开始交付第一批 System/370，即 155 和 165 型号，包含对 360 的若干重大扩展。Case 和 Padegs [1978] 对此进行了讨论，也回顾了 System/360 的早期历史。最重要的新增内容是虚拟存储器，不过带虚拟存储器的 370 直到 1972 年相应操作系统就绪才交付。到 1978 年，高端 370 的速度已是十年前交付的低端 360 的数百倍。1984 年，IBM 360 原有的 24 位寻址模型必须扩展，于是推出 370-XA（eXtended Architecture，扩展体系结构）。旧的 24 位程序可以不加修改地运行，但扩展到支持 31 位地址的 32 位寻址模型时，有些指令无法继续按原方式工作，因为它们不能生成 31 位地址。转换主要用汇编编写的操作系统，无疑是最大的任务。

关于 IBM 360 及其指令测量，已有多项研究。Shustek 的学位论文 [1978] 是最知名、最完整的 360/370 体系结构研究。他对指令集复杂性提出若干观察，直到数年后才受到充分重视。另一项重要研究是 Alexander 和 Wortman [1975] 的 Toronto 研究，在 IBM 360 上测量了 19 个 XPL 程序。

System/360 指令集

下面按指令类型和格式列出 360 指令集。System/370 另有 15 条用户指令。

整数／逻辑和浮点 R-R 指令

* 表示该指令为浮点指令，可替换为 D，即双精度，或 E，即单精度。

分支与状态设置 R-R 指令

这些 R-R 格式指令执行分支或设置某种系统状态。其中若干是特权指令，只能在管理模式（supervisor mode）下合法执行。

分支／逻辑和浮点指令：RX 格式

以下均为 RX 格式。符号 + 表示字操作，此时不添加字符，或者替换为 H 表示半字操作；例如 A+ 代表 A 和 AH 两个操作码。* 代表 D 或 E，即双精度或单精度浮点。

分支与特殊加载、存储：RX 格式

RS 和 SI 格式指令

以下是 RS 与 SI 格式指令。* 可以是 A，表示算术，或 L，表示逻辑。

SS 格式指令

这些是十进制或字符串指令。¹

360 的详细测量

图 K.59 给出四个 IBM 360 程序的指令使用频率。