AL123 人文社科免费专区文学 2023-03-23

CPU通识课_AZW3_MOBI_EPUB_靳国杰；张戈

内容节选

第5节从一个到多个：并行 “真双核”与“假双核”的说法是由AMD提出来的，Intel将两颗Pentium 4核心封装在一个基板上，组成了Pentium D，AMD认为这种架构是假双核，而网友则更具想象力，将这种双核称为“胶水”双核。 ——《Intel对决AMD》，搜狐IT，2006 2015年发布的龙芯3A2000版图，在一个芯片中包含4个处理器核（CORE0到CORE3）人多力量大：多核多核是指在一个芯片中集成多个独立的CPU单元多核（Multicore）是指在一个芯片中集成多个独立的CPU单元，所有CPU可以共同执行计算工作。这样的芯片称为一个Chip，而芯片集成的每一个CPU称为一个处理器核（Core）。龙芯3号是典型的多核芯片。每一个核可以单独运行一个应用程序，例如一个核正在播放电影，同时有另外一个核在压缩文件。龙芯3A1000、3A2000、3A3000、3A4000、3A5000都在一个芯片中封装了4个处理器核，这在大多数台式计算机中都足够使用了。多核是典型的“横向扩展”设计思想。以前一味提高单个CPU的主频、性能，已经接近了架构设计和实现工艺的极限，摩尔定律的效果也在逐步降低。而增加计算单元的数量来提高计算能力，则相对要容易得多。操作系统同时管理多个处理器核，把应用程序的执行负载尽可能平均地分配在所有处理器核上。不同的应用程序可以分配到不同的核上运行，一个应用程序也可以用并行编程（Parallel Programming）的技术，把自身分解成同时运行的多个执行线索，例如多进程、多线程机制，这样也可以使用多个处理器核同时计算。不止一个芯片：多路多路是在一个计算机主板上安装多个独立的CPU芯片多路是指在一个计算机主板上安装多个独立的CPU芯片。多路也是通过“横向扩展”来增加计算单元数量的方法，可以克服多核技术在一个芯片内的集成度和功耗限制。多路主要用于服务器主板上，适用于大并发量的Web服务器、数据库、云计算等场景。整个服务器中包含的CPU数量的计算公式为“CPU数量 = 路数 × 每个芯片包含的核数”。例如，龙芯3B4000四路服务器在一个主板上安装了4个独立的龙芯3B4000芯片，每个芯片包含4个CPU核，这样一台服务器的总核数是4 × 4 = 16，如图4.7所示。图4.7 龙芯3B4000四路服务器在一个主板上安装了4个芯片操作系统对一个主板上的多个处理器芯片统一管理，尽量将计算任务平均分配到所有处理器核上。多路架构还有一个好处是“计算性能和存储性能的平衡”。在计算性能方面，一个服务器主板通过安装多个CPU芯片而提高核数，并且可以根据计算任务的需求而灵活配置成双路或四路；在存储性能方面，每一个CPU都有独立的内存访问通道，多个CPU可以并行地访问内存，这样可以成倍提升内存访问带宽。相比之下，如果是在一个芯片内部单纯提高处理器核数，虽然计算指标得到提升，但是内存访问通道的数量少，将形成访存瓶颈，出现“茶壶倒饺子”的问题，最终限制整机性能表现。流水线和线程的结合：硬件多线程多线程（Multi-threading）是并行编程的一种技术，是指一个应用程序可以创建两个及以上独立的执行线索，这两个执行线索分别执行不同的指令序列。每一个执行线索称为一个线程（Thread）。计算机对多线程有软件、硬件两种实现方式。在软件的实现方式中，操作系统控制CPU实现“分时复用”，CPU的执行时间分成很多小的单位，在不同的时间段中分别执行不同线程的指令序列。由于时间段的单位非常小（一般在100ms以内），线程切换的速度非常快，因此给用户的感觉是所有线程在同时运行。但实际上每个线程使用的资源都只占CPU时间的一部分。在硬件的实现方式中，一个CPU核在硬件上支持多个线程的执行环境。每个线程的执行环境都包括一套寄存器、一套流水线、一套数值计算单元等。CPU可以将多个线程都以硬件的方式执行，只要实际运行的线程数量不超过CPU支持的执行环境数量，就不需要分时复用，这是真正意义上的并行执行。硬件支持的多线程技术也称为“同时多线程”（Simultaneous Multi-Threading，SMT），在有的文献中也称为“超线程”。据Intel公司发表的文献，支持2套线程执行环境的CPU，能够以增加不到10%晶体管的代价取得平均60%的性能提升。Dean Tullsen， Susan Eggers， Joel Emer， Henry Levy， Jack Lo， and Rebecca L. Stamm， Exploiting Choice: Instruction Fetch and Issue on an Implementable Simultaneous Multithreading Processor，......