在CDC 6600三年之后(1966)，为IBM 360/91设计。

目标：即使在没有特殊编译支持的情况下，也能取得高性能。

IBM 360 和CDC 6600指令系统体系结构之间的差异：

IBM的每条指令有两个暂存器描述符(registerspecifiers),而CDC 6600有三个；IBM有四个浮点暂存器，而CDC 6600有八个。

在处理器中，先后执行的指令之间经常具有相关性（例如后一条指令用到前一条指令向暂存器写入的结果），因此早期简单的处理器使后续指令停顿，直到其所需的资源已经由前序指令準备就绪。Tomasulo算法则通过动态调度的方式，在不影响结果正确性的前提下，重新排列指令实际执行的顺序（乱序执行），提高时间利用效率。IBM System/360 Model 91处理器的浮点运算器中率先使用了这种算法。

该算法与之前同样用于实现指令流水线动态调度的计分板不同在于它使用了暂存器重命名机制。指令之间具有数据相关性（例如后条指令的源暂存器恰好是前条指令要写入的目标暂存器），进行动态调度时必须避免三类冒险：写后读（Read-after-Write, RAW）、写后写（Write-after-Write, WAW）、读后写（Write-after-Read, WAR）。第一种冒险也被称为真数据相关（true data dependence），而后两种冒险则并没有那幺致命，它们可以由暂存器重命名来予以解决。Tomasulo算法使用了一个共享数据汇流排（common data bus, CDB）将已计算出的值广播给所有需要这个值作为指令源运算元的保留站。该算法儘可能降低了使用计分板技术导致的流水线停顿，从而改善了并行计算的效率。

在指令的发射（issue）阶段，如果运算元和保留站都準备就绪，那幺指令就可以直接发射并执行。如果运算元未就绪，则进入保留站的指令会跟蹤即将产生这个所需运算元的那个功能单元。如果连可用的保留站功能单元都已经不够用，那幺该指令必须被停顿。为了化解读后写（WAR）和写后写（WAW）冲突，需要在该阶段进行指令的暂存器重命名。从指令伫列中取出下一条指令，如果其所用到的运算元目前位于暂存器中，那幺如果与指令匹配的功能单元（这类处理器通常具有多个功能单元以发挥指令级并行的优势）当前可用，则发射该指令；否则，由于没有可用的功能单元，指令被停顿，直到保留站或快取可用。儘管执行时可能并未按照指令代码的先后顺序，但是它们在发射过程还是按照原先的顺序。这是为了确保指令顺序执行时的一些现象，例如处理器异常，能够以顺序执行时的同样顺序出现。下一个阶段为执行阶段。在该阶段，指令对应的操作被执行。执行前需要保证所有运算元可用，同时写后读（RAW）冲突已经被化解。系统通过计算有效地址来避免存储区的冲突，从而保证程式的正确性。最后的阶段为写结果阶段，算术逻辑单元（ALU）的计算结果被写回到暂存器，以及任何正在等待该结果的保留站中，如果是存储（store）指令，则写回到存储器中。

控制及缓冲器分布于运算单元(FU) 与Scoreboard；功能部件缓冲器称为"保留站(reservationstations)"; 存放未决的运算元。指令中的暂存器被数值或者指向保留站的指针代替；这一过程称为暂存器换名(register renaming)；消除WAR,WAW冒险保留站比实际暂存器多，因而可以完成最佳化编译器所不能完成的一些工作。

Tomasulo算法的三段

1.Issue―从FP Op Queue中取出指令

如果保留站空闲(无结构冒险),

控制机制发射指令&传送运算元(对暂存器进行换名).

2.Execution―对运算元执行操作(EX)

如果两个运算元都已就绪,就执行;

如果没有就绪,就观测公共数据汇流排等待所需结果

3.Write result―完成执行(WB)

通过公共数据汇流排将结果写入到所有等待的部件;