淺談多CPU、多核CPU、超線程技術、SMP

1 多 CPU

多CPU(multi-processor)指的是在計算機主板上有多個物理CPU，每一個物理CPU之間通過系統總線連接。

Architectual State: 包括通用數據寄存器、段寄存器、控制寄存器等。

Execution Engine: 執行引擎，用來執行CPU指令，包括算數邏輯單元ALU等。

Local APIC: APIC全稱是Advanced Programmable Interrupt Controller，翻譯過來就是高級可編程中斷控制器，用來處理CPU中斷。

2 多核 CPU

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

關于Die可以參看 《一文搞懂晶圓 Die CPU 之間的關系》。

無論使用哪種方式，多核CPU的架構可以表示為下圖:

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

從并行性(Parallel)的角度看，多CPU和多核CPU都可以在同一時間，同時執行多條指令流。

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內部物理核心之間通過片內總線通信，速度會快于系統總線。換句話說，多核 CPU 的性能要高于多 CPU。

有了多核CPU，那么要構造處擁有4個邏輯CPU的系統，那么就有2種方案:

第1種就是使用2個物理CPU，每個物理CPU內部包含2個物理核心。

第2中就是使用1個物理CPU，這個物理CPU內部包含4個物理核心。

3 超線程技術

超線程技術(Hyper-Threading Technology)簡稱HT或者HTT，它作用于物理CPU內部的物理核心上。

為了實現超線程技術，一個物理核心內部，會同時包含2份Architectual State、Local APIC，但是只有1份Execution Engine。

在運行的時候，會同時有2條不同的CPU指令流送入物理核心:

因此，一個物理核心內部，就好像有了2個邏輯核心或者邏輯 CPU:

表面上看，超線程技術使得一個物理核心可以當成2個使用，與不支持超線程技術的單核CPU相比，并行性應該翻倍。

但是，從上圖看到，邏輯核心是共享Execution Engine的。

雖然同一時刻，有2條不同的CPU指令流送入了物理核，但同一時刻，Execution Engine只能執行1條指令流上的指令。

比如，當Execution Engine在執行指令流1的時候，需要等待指令需要的數據到達，那么，在這個等待的時間內，才可以切換到指令流2執行，避免Execution Engine處于空閑狀態。

換句話說，超線程技術的并行性并不徹底，并行性并不能真正的翻倍。

上面Execution Engine的運行方式，和在不支持超線程的單核CPU上運行多線程非常相似，但是兩者有本質的區別。

在不支持超線程的單核CPU上運行多線程，是操作系統進行時間片調度造成的假象，任何同一時刻，其實都只有1條指令流在物理核上執行。

在支持超線程的單核CPU上運行多線程，硬件層面支持同一時刻送入2條不同指令流到物理核心，只是在Execution Engine內執行的時候需要輪轉調度。

既然超線程技術本質上和多核CPU一樣，增加了核心數(邏輯核心)，但是并行性卻不及多核CPU，那為什么還要設計出超線程技術呢？

答案是超線程技術可以提升CPU核心的利用率。

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

綜上所述，結合多核技術與超線程技術，邏輯CPU的計算公式為:

4 SMP

SMP全稱是 Symmetric Multi-Processing，翻譯過來是對稱多處理器，是一種多處理器架構。

對稱多處理器中的對稱，是指任何程序，不管運行在內核空間，還是用戶空間，都可以運行在任意一個處理器上。

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

現代計算機系統都使用的是SMP架構，ASMP架構已經幾乎絕跡了。

早期的時候，SMP專指多個物理CPU的場景。后續由于多核與超線程技術的出現，SMP在多個邏輯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