淺談多CPU、多核CPU、超線程技術(shù)、SMP

1 多 CPU

多CPU(multi-processor)指的是在計(jì)算機(jī)主板上有多個(gè)物理CPU，每一個(gè)物理CPU之間通過(guò)系統(tǒng)總線連接。

Architectual State: 包括通用數(shù)據(jù)寄存器、段寄存器、控制寄存器等。

Execution Engine: 執(zhí)行引擎，用來(lái)執(zhí)行CPU指令，包括算數(shù)邏輯單元ALU等。

Local APIC: APIC全稱是Advanced Programmable Interrupt Controller，翻譯過(guò)來(lái)就是高級(jí)可編程中斷控制器，用來(lái)處理CPU中斷。

2 多核 CPU

多核(multi-core processor)指的是在一個(gè)物理CPU內(nèi)部，封裝了多個(gè)物理核心。這些物理核心可能位于同一個(gè)Die上，也可能位于多個(gè)Die上。

關(guān)于Die可以參看 《一文搞懂晶圓 Die CPU 之間的關(guān)系》。

無(wú)論使用哪種方式，多核CPU的架構(gòu)可以表示為下圖:

從上圖可以看到，每一個(gè)物理核心都有自己的Architectual State、Execution Engine、Local APIC。因此，每一個(gè)物理核心都可以看成是一個(gè)邏輯 CPU。

從并行性(Parallel)的角度看，多CPU和多核CPU都可以在同一時(shí)間，同時(shí)執(zhí)行多條指令流。

那既然這樣，為什么還要研究出多核CPU呢？

如果單從性能角度看，多核CPU內(nèi)部物理核心之間通過(guò)片內(nèi)總線通信，速度會(huì)快于系統(tǒng)總線。換句話說(shuō)，多核 CPU 的性能要高于多 CPU。

有了多核CPU，那么要構(gòu)造處擁有4個(gè)邏輯CPU的系統(tǒng)，那么就有2種方案:

第1種就是使用2個(gè)物理CPU，每個(gè)物理CPU內(nèi)部包含2個(gè)物理核心。

第2中就是使用1個(gè)物理CPU，這個(gè)物理CPU內(nèi)部包含4個(gè)物理核心。

3 超線程技術(shù)

超線程技術(shù)(Hyper-Threading Technology)簡(jiǎn)稱HT或者HTT，它作用于物理CPU內(nèi)部的物理核心上。

為了實(shí)現(xiàn)超線程技術(shù)，一個(gè)物理核心內(nèi)部，會(huì)同時(shí)包含2份Architectual State、Local APIC，但是只有1份Execution Engine。

在運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)同時(shí)有2條不同的CPU指令流送入物理核心:

因此，一個(gè)物理核心內(nèi)部，就好像有了2個(gè)邏輯核心或者邏輯 CPU:

表面上看，超線程技術(shù)使得一個(gè)物理核心可以當(dāng)成2個(gè)使用，與不支持超線程技術(shù)的單核CPU相比，并行性應(yīng)該翻倍。

但是，從上圖看到，邏輯核心是共享Execution Engine的。

雖然同一時(shí)刻，有2條不同的CPU指令流送入了物理核，但同一時(shí)刻，Execution Engine只能執(zhí)行1條指令流上的指令。

比如，當(dāng)Execution Engine在執(zhí)行指令流1的時(shí)候，需要等待指令需要的數(shù)據(jù)到達(dá)，那么，在這個(gè)等待的時(shí)間內(nèi)，才可以切換到指令流2執(zhí)行，避免Execution Engine處于空閑狀態(tài)。

換句話說(shuō)，超線程技術(shù)的并行性并不徹底，并行性并不能真正的翻倍。

上面Execution Engine的運(yùn)行方式，和在不支持超線程的單核CPU上運(yùn)行多線程非常相似，但是兩者有本質(zhì)的區(qū)別。

在不支持超線程的單核CPU上運(yùn)行多線程，是操作系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間片調(diào)度造成的假象，任何同一時(shí)刻，其實(shí)都只有1條指令流在物理核上執(zhí)行。

在支持超線程的單核CPU上運(yùn)行多線程，硬件層面支持同一時(shí)刻送入2條不同指令流到物理核心，只是在Execution Engine內(nèi)執(zhí)行的時(shí)候需要輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

既然超線程技術(shù)本質(zhì)上和多核CPU一樣，增加了核心數(shù)(邏輯核心)，但是并行性卻不及多核CPU，那為什么還要設(shè)計(jì)出超線程技術(shù)呢？

答案是超線程技術(shù)可以提升CPU核心的利用率。

在多核CPU上，如果某個(gè)物理核心在執(zhí)行指令流時(shí)需要等待指令數(shù)據(jù)，那么該核心就有一段時(shí)間處于空閑狀態(tài)(雖然可能很短暫)。但是如果支持超線程技術(shù)，那么該核心可以用來(lái)處理另外的指令流。

綜上所述，結(jié)合多核技術(shù)與超線程技術(shù)，邏輯CPU的計(jì)算公式為:

4 SMP

SMP全稱是 Symmetric Multi-Processing，翻譯過(guò)來(lái)是對(duì)稱多處理器，是一種多處理器架構(gòu)。

對(duì)稱多處理器中的對(duì)稱，是指任何程序，不管運(yùn)行在內(nèi)核空間，還是用戶空間，都可以運(yùn)行在任意一個(gè)處理器上。

與之相反，ASMP，Asymmetric Multi-Processing，非對(duì)稱多處理器，指某些處理器用來(lái)運(yùn)行特殊的程序，比如操作系統(tǒng)，而另外的處理器用來(lái)運(yùn)行非特殊程序，比如用戶程序。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都使用的是SMP架構(gòu)，ASMP架構(gòu)已經(jīng)幾乎絕跡了。

早期的時(shí)候，SMP專指多個(gè)物理CPU的場(chǎng)景。后續(xù)由于多核與超線程技術(shù)的出現(xiàn)，SMP在多個(gè)邏輯CPU下也同樣適用。

Symmetric Multi-Proccessing Wikipedia

In the case of multi-core processors, the SMP architecture applies to the cores, treating them as separate processors

Hyper-Threading Wikipedia

The minimum that is required to take advantage of hyper-threading is symmetric multiprocessing (SMP) support in the operating system, as the logical processors appear as standard separate processors.

審核編輯：黃飛