Flynn 分类法

按指令流和数据流的多倍性将计算机分为 4 类。

分类	说明	典型代表
SISD	单指令流单数据流	传统单处理器、冯·诺依曼机器
SIMD	单指令流多数据流	阵列处理机、并行处理机
MISD	多指令流单数据流	极少见（有文献将流水线归为此类）
MIMD	多指令流多数据流	多核计算机、多处理机、超级计算机

当前主流多核计算机属于 MIMD。

指令系统 CISC 和 RISC

CISC vs RISC

对比	CISC（复杂指令集）	RISC（精简指令集）
指令数量	多	少
指令长度	可变	固定
实现方式	微程序控制	组合逻辑（硬件实现）
寻址方式	多样	少
寄存器	少	大量寄存器
执行时间	差别大	多数单周期

指令组成与执行

一条指令 = 操作码（决定操作类型）+ 地址码（操作数地址）。整条指令以二进制编码存放。

执行三阶段：取指令（PC→地址总线，从内存取）→ 分析指令（ID 解析操作码）→ 执行指令。

寻址方式

方式	说明	特点
顺序寻址	一条接一条顺序执行	下一条地址由 PC 给出
跳跃寻址	下条地址由本条指令直接给出	PC 内容相应改变

操作数寻址方式：

方式	说明	速度
立即寻址	地址码直接包含操作数本身	—
直接寻址	地址码是操作数的内存地址	—
间接寻址	地址码指向存有操作数地址的单元	慢
寄存器寻址	操作数在寄存器中	最快
基址寻址	基址寄存器 + 形式地址 → 有效地址	用于静态数据
变址寻址	变址寄存器 + 形式地址 → 有效地址	用于数组/动态数据

指令的流水处理

流水线原理

• RISC中的流水线技术：超流水线（在每个机器周期内能完成一个甚至两个浮点操作，以时间换空间)、超标量（内装多条流水线同时执行多个处理，以空间换时间）、超长指令字 VLIW (同时执行多条指令，发挥软件作用)。

流水线时间计算

流水线核心公式：

指标	公式
流水线周期	各段中执行时间最长的段的时间
执行时间	1条指令总执行时间 +（总指令条数 - 1）× 流水线周期
吞吐率	指令条数 / 流水线执行时间
加速比	不使用流水线执行时间 / 使用流水线执行时间

• 流水线周期：指令分成不同执行段，其中执行时间最长的段为流水线周期。
• 流水线执行时间：1条指令总执行时间+（总指令条数-1）* 流水线周期。
• 单缓冲区和双缓冲区：此类题型不给出具体流水线执行阶段，需要考生自己区分出流水线阶段，一般来说，能够同时执行的阶段就是流水线的独立执行阶段：只能独立执行的阶段应该合并为流水线中的一个独立执行阶段。

例如有三个阶段即读入缓冲区+送入用户区+数据处理，在单缓冲区中，缓冲区和用户区都只有一个，一个盘块必须执行完前两个阶段，下一个盘块才能开始，因此前两个阶段应该合并，整个流水线为送入用户区+数据处理；

而在双缓冲区中，盘块可以交替读入缓冲区，但用户区只有一个，因为缓冲区阶段可以同时进行，流水线前两个阶段不能合并，就是读入缓冲区+送入用户区+数据处理三段。

划分出真正的流水线阶段后，套用流水线时间计算公式可以轻易得出答案。

• 流水线吞吐率计算：吞吐率即单位时间内执行的指令条数。公式：指令条数/流水线执行时间。
• 流水线的加速比计算：加速比即使用流水线后的效率提升度，即比不使用流水线快了多少倍，越高表明流水线效率越高，公式：不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间。

指令流水线

将指令分成不同段，每段由不同部件并行处理。

RISC 流水线三种技术：

技术	核心理念	本质
超流水线	细化流水、增加级数、提高主频	时间换空间
超标量	多条流水线同时执行多个处理	空间换时间
超长指令字（VLIW）	软件调度并行，简化硬件	软件发挥主要作用

超线程技术（Hyper-Threading）

🎯 一句话结论：超线程让一个物理核心模拟两个逻辑核心，共享执行资源，提高 CPU 并行计算能力。

• 一个物理核心配备两套寄存器组和中断逻辑，操作系统看到"两个核心"
• 共享物理执行单元（ALU、Cache 等），并非真正的双核
• 适合多线程负载，单线程密集型收益有限
• 属于提高 CPU 并行计算能力的技术（区别于加密/压缩/缓存技术）