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1 多 CPU
多CPU(multi-processor)指的是在计算机主板上有多个物理CPU,每一个物理CPU之间通过系统总线连接。 Architectual State: 包括通用数据寄存器、段寄存器、控制寄存器等。 Execution Engine: 执行引擎,用来执行CPU指令,包括算数逻辑单元ALU等。 Local APIC: APIC全称是Advanced Programmable Interrupt Controller,翻译过来就是高级可编程中断控制器,用来处理CPU中断。 2 多核 CPU多核(multi-core processor)指的是在一个物理CPU内部,封装了多个物理核心。这些物理核心可能位于同一个Die上,也可能位于多个Die上。 Die是从晶圆上切割下来的一个小晶片,CPU的物理核就位于Die上。 一个Die上可以有多个CPU物理核,物理核之间通过片内总线相连,相比主版上的系统总线,片内总线速度非常快。 一个Die上物理核的个数,受Die的大小影响。通常Die越大,能容纳的物理核就越多。但是越大的Die,良品率和制作成本就越高。 无论使用哪种方式,多核CPU的架构可以表示为下图: 从上图可以看到,每一个物理核心都有自己的Architectual State、Execution Engine、Local APIC。因此,每一个物理核心都可以看成是一个逻辑 CPU。 从并行性(Parallel)的角度看,多CPU和多核CPU都可以在同一时间,同时执行多条指令流。 那既然这样,为什么还要研究出多核CPU呢? 如果单从性能角度看,多核CPU内部物理核心之间通过片内总线通信,速度会快于系统总线。换句话说,多核 CPU 的性能要高于多 CPU。 有了多核CPU,那么要构造处拥有4个逻辑CPU的系统,那么就有2种方案: 第1种就是使用2个物理CPU,每个物理CPU内部包含2个物理核心。 第2中就是使用1个物理CPU,这个物理CPU内部包含4个物理核心。 3 超线程技术超线程技术(Hyper-Threading Technology)简称HT或者HTT,它作用于物理CPU内部的物理核心上。 为了实现超线程技术,一个物理核心内部,会同时包含2份Architectual State、Local APIC,但是只有1份Execution Engine。 在运行的时候,会同时有2条不同的CPU指令流送入物理核心: 因此,一个物理核心内部,就好像有了2个逻辑核心或者逻辑 CPU: 表面上看,超线程技术使得一个物理核心可以当成2个使用,与不支持超线程技术的单核CPU相比,并行性应该翻倍。 但是,从上图看到,逻辑核心是共享Execution Engine的。 虽然同一时刻,有2条不同的CPU指令流送入了物理核,但同一时刻,Execution Engine只能执行1条指令流上的指令。 比如,当Execution Engine在执行指令流1的时候,需要等待指令需要的数据到达,那么,在这个等待的时间内,才可以切换到指令流2执行,避免Execution Engine处于空闲状态。 换句话说,超线程技术的并行性并不彻底,并行性并不能真正的翻倍。 上面Execution Engine的运行方式,和在不支持超线程的单核CPU上运行多线程非常相似,但是两者有本质的区别。 在不支持超线程的单核CPU上运行多线程,是操作系统进行时间片调度造成的假象,任何同一时刻,其实都只有1条指令流在物理核上执行。 在支持超线程的单核CPU上运行多线程,硬件层面支持同一时刻送入2条不同指令流到物理核心,只是在Execution Engine内执行的时候需要轮转调度。 既然超线程技术本质上和多核CPU一样,增加了核心数(逻辑核心),但是并行性却不及多核CPU,那为什么还要设计出超线程技术呢? 答案是超线程技术可以提升CPU核心的利用率。 在多核CPU上,如果某个物理核心在执行指令流时需要等待指令数据,那么该核心就有一段时间处于空闲状态(虽然可能很短暂)。但是如果支持超线程技术,那么该核心可以用来处理另外的指令流。 综上所述,结合多核技术与超线程技术,逻辑CPU的计算公式为: 4 SMPSMP全称是 Symmetric Multi-Processing,翻译过来是对称多处理器,是一种多处理器架构。 对称多处理器中的对称,是指任何程序,不管运行在内核空间,还是用户空间,都可以运行在任意一个处理器上。 与之相反,ASMP,Asymmetric Multi-Processing,非对称多处理器,指某些处理器用来运行特殊的程序,比如操作系统,而另外的处理器用来运行非特殊程序,比如用户程序。 现代计算机系统都使用的是SMP架构,ASMP架构已经几乎绝迹了。 早期的时候,SMP专指多个物理CPU的场景。后续由于多核与超线程技术的出现,SMP在多个逻辑CPU下也同样适用。 |
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