软考中级软件设计师备考指南（二）：计算机体系结构与指令系统

在上一篇中，我们梳理了计算机硬件基础与数据表示，本篇将深入 "计算机体系结构" 模块 ------ 这是软考的难点之一，涵盖体系分类、指令系统、流水线技术，年均考察 4-5 题，且多涉及计算与对比，需重点突破。

[一、体系结构分类：从 "宏观" 到 "微观" 的划分](#一、体系结构分类：从 “宏观” 到 “微观” 的划分)

[1.1 宏观分类：按处理机数量划分](#1.1 宏观分类：按处理机数量划分)

[1.2 微观分类：Flynn 分类法（高频考点）](#1.2 微观分类：Flynn 分类法（高频考点）)

[二、指令系统：软硬件交互的 "桥梁"](#二、指令系统：软硬件交互的 “桥梁”)

[2.1 指令格式：操作码 + 地址码](#2.1 指令格式：操作码 + 地址码)

[2.2 寻址方式：速度决定 "优先级"](#2.2 寻址方式：速度决定 “优先级”)

（1）核心寻址方式及速度排序

[（2）指令寻址 vs 操作数寻址](#（2）指令寻址 vs 操作数寻址)

[2.3 CISC 与 RISC：对比记忆 "核心差异"](#2.3 CISC 与 RISC：对比记忆 “核心差异”)

[三、流水线技术：提升 CPU 效率的 "关键"](#三、流水线技术：提升 CPU 效率的 “关键”)

[3.1 流水线基本原理](#3.1 流水线基本原理)

[3.2 流水线执行时间计算（高频计算题）](#3.2 流水线执行时间计算（高频计算题）)

[3.3 流水线性能指标](#3.3 流水线性能指标)

[四、CPU 如何区分指令和数据？（易混淆点）](#四、CPU 如何区分指令和数据？（易混淆点）)

小结：核心考点与解题技巧

一、体系结构分类：从 "宏观" 到 "微观" 的划分

软考对体系结构的考察，核心是Flynn 分类法（微观）和 "处理机数量分类"（宏观），需明确各类系统的特征及应用场景。

1.1 宏观分类：按处理机数量划分

单处理系统：1 个 CPU，所有任务串行执行（比如早期 PC），特点是结构简单，效率低；
并行 / 多处理系统：2 个以上 CPU，通过总线互连协同工作（比如服务器），核心优势是 "并行计算"，提升复杂任务处理速度；
分布式处理系统：CPU 物理上远距离（比如云计算节点），松耦合连接，特点是 "通信时间不可忽略"（相比处理时间），适用于大规模分布式任务（如大数据分析）。

1.2 微观分类：Flynn 分类法（高频考点）

1966 年 Flynn 按 "指令流（IS）" 和 "数据流（DS）" 数量划分，共 4 类，软考常考 "每类的定义 + 实例"：

分类	指令流	数据流	特点	实例
SISD	单	单	指令串行、数据串行，传统冯诺依曼机	早期 PC、单片机
SIMD	单	多	一条指令操作多个数据，并行处理	GPU（图形渲染）、向量处理器
MISD	多	单	多条指令操作一个数据，理论存在，实际极少	无商用实例（软考中可理解为 "几乎不用"）
MIMD	多	多	多条指令操作多个数据，完全并行	服务器（多 CPU）、超级计算机

易错点：MISD 实际无商用产品，考题若问 "以下哪类很少见"，答案必是 MISD；SIMD 的核心是 "单指令多数据"，比如 GPU 一次处理多个像素点，就是典型 SIMD。

二、指令系统：软硬件交互的 "桥梁"

指令系统是软件（程序）与硬件（CPU）的交互界面，软考核心考 "指令格式、寻址方式、CISC 与 RISC 对比"，尤其是 "寻址方式速度排序" 和 "CISC/RISC 区别"。

2.1 指令格式：操作码 + 地址码

操作码（OP）：指定指令功能（比如加法、取数），长度固定或可变（CISC 常用可变长，RISC 常用固定长）；
地址码（A）：指定操作数的位置（比如内存地址、寄存器编号），可分为零地址、一地址、二地址指令（比如二地址指令 "ADD R1, R2"，R1 和 R2 是地址码）。

2.2 寻址方式：速度决定 "优先级"

寻址方式是 "找到操作数的方法"，软考常考 "速度排序" 和 "操作数位置"，需记住：访问次数越少，速度越快（寄存器比内存快，内存比 "内存的内存" 快）。

（1）核心寻址方式及速度排序

速度从快到慢：立即寻址 > 寄存器寻址 > 直接寻址 > 寄存器间接寻址 > 间接寻址

立即寻址：操作数直接在指令中（比如 "ADD R1, #5"，#5 是操作数），无需访存，速度最快；
寄存器寻址：操作数在寄存器中（比如 "ADD R1, R2"），只需访问寄存器（纳秒级），速度次之；
直接寻址：操作数在内存中，地址码是直接地址（比如 "ADD R1, (100H)"），需 1 次访存；
寄存器间接寻址：地址码是寄存器编号，寄存器中存的是操作数的内存地址（比如 "ADD R1, (R2)"），需 1 次访存（比直接寻址稍慢，多一步寄存器解析）；
间接寻址：地址码是 "操作数地址的地址"（比如 "ADD R1, ((100H))"），需 2 次访存（先取地址，再取操作数），速度最慢。

（2）指令寻址 vs 操作数寻址

指令寻址：找下一条指令的地址，分 "顺序寻址"（PC 自增）和 "跳跃寻址"（JMP 指令，PC 直接设为目标地址，用于循环 / 分支）；
操作数寻址：找操作数的地址（即上述立即、寄存器等方式）。

例题：以下寻址方式速度最快的是？（A. 直接寻址 B. 立即寻址 C. 寄存器间接寻址）答案：B（立即寻址无需访存，速度最快）。

2.3 CISC 与 RISC：对比记忆 "核心差异"

CISC（复杂指令集）和 RISC（精简指令集）是两种指令集设计思想，软考常考 "特征对比"，需用表格清晰区分：

对比维度	CISC（如 x86 架构）	RISC（如 ARM 架构）
指令数量	多（几百条）	少（几十条，只保留高频指令）
指令长度	可变长（1-15 字节）	固定长（如 4 字节）
寻址方式	丰富（10 + 种）	简单（3-5 种）
控制器	微程序控制（软件实现）	硬布线控制（硬件实现，速度快）
通用寄存器	少（几个）	多（32 个以上，减少访存）
运算方式	支持复杂运算（如乘法指令）	复杂运算拆为简单指令（如乘法拆为加法）
流水线	难实现（指令长且复杂）	易实现（指令简单，适合流水线）

易错点：RISC 不是 "功能弱"，而是 "指令精简 + 硬件优化"，实际执行效率更高（比如手机 CPU 多是 ARM 架构，即 RISC）；CISC 的优势是编程灵活（指令多），但硬件复杂。

三、流水线技术：提升 CPU 效率的 "关键"

流水线技术是 "将指令执行拆分为多阶段，并行处理"，类似工厂流水线，是软考的计算重点，需掌握 "执行时间计算" 和 "性能指标"。

3.1 流水线基本原理

阶段划分：指令执行通常拆为 "取指（IF）→译码（ID）→执行（EX）→写回（WB）"4 个阶段，每个阶段由专用硬件处理；
核心思想：前一条指令进入下阶段时，当前阶段立即处理下一条指令（比如 IF 处理第 2 条指令时，ID 处理第 1 条指令），提升并行度。

3.2 流水线执行时间计算（高频计算题）

软考常考 "非流水线" 与 "流水线" 时间对比，需记住两个公式：

非流水线时间：单条指令时间 × 指令数 = T₁ × n（T₁是各阶段时间之和，比如 IF=2ns，ID=2ns，EX=1ns，WB=1ns，T₁=6ns）；
流水线时间：第一条指令时间 + (n-1)× 最长阶段时间 = T₁ + (n-1)×T_max（T_max 是最慢阶段的时间，即 "瓶颈"，比如上述 T_max=2ns）。

例题：3 段流水线（取指 2ns、分析 2ns、执行 1ns），执行 1000 条指令，总时间是多少？计算：T₁=2+2+1=5ns，T_max=2ns → 总时间 = 5 + (1000-1)×2 = 5 + 1998 = 2003ns（2021 年真题，答案为 2003ns）。

3.3 流水线性能指标

加速比：非流水线时间 / 流水线时间 = (T₁×n) / [T₁ + (n-1)×T_max]（n 越大，加速比越接近 T₁/T_max）；
吞吐率：单位时间完成的指令数 = 指令数 / 流水线时间（瓶颈阶段越短，吞吐率越高）；
超标量流水线：通过增加硬件（如双取指部件、双译码部件），实现 "多条流水线并行"（比如一次处理 2 条指令），是 "空间换时间"，常见于高端 CPU（如多核 CPU）。

四、CPU 如何区分指令和数据？（易混淆点）

冯诺依曼结构中，指令和数据都存在内存中（二进制 0/1），CPU 靠 "指令周期的阶段" 区分：

取指阶段：从内存取的是指令（地址来自 PC），存入 IR；
执行阶段：从内存取的是数据（地址来自地址码），存入 DR；
对比哈佛结构：指令和数据分开存储，无需区分，但硬件复杂（如 DSP 芯片用哈佛结构）。

小结：核心考点与解题技巧

必背考点：Flynn 分类法（SIMD/MIMD 实例）、寻址方式速度排序、CISC 与 RISC 对比、流水线时间计算；
解题技巧 ：
- 遇到 "体系分类" 题，先看处理机数量（宏观）或指令流 / 数据流（微观）；
- 遇到 "寻址速度" 题，记住 "立即最快，间接最慢"；
- 遇到 "流水线计算" 题，先找 T_max（瓶颈），再套公式；
易错点：MISD 无商用实例、RISC 指令固定长、流水线时间计算需加 "(n-1)×T_max"。

下一篇我们将讲解 "存储系统"，包括 Cache、虚拟内存、磁盘结构这些与性能密切相关的考点，帮助大家攻克 "存储速度与容量" 的难题！