多处理器系统的基本概念

多处理器系统的基本概念

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/swu_Alice/article/details/139788016

多处理器系统是现代计算机体系结构的重要组成部分，它通过多个处理器协同工作来提高计算性能。本文将介绍多处理器系统的基本概念，包括计算机体系结构的四种类型、硬件多线程技术、多核处理器以及共享内存多处理器的两种类型。

计算机体系结构

所有的处理器或者说所有的计算机体系都是这四种类型之一：

1.1 SISD（单指令流单数据流）

• 在任意时刻，计算机执行单一指令操作单一数据
• 传统的桌面计算机在处理文本编辑或简单图形操作时通常采用SISD架构

1.2 SIMD（单指令流多数据流）

• 一条指令同时操作多个数据，非常适合于执行重复的相同操作，如图像处理中的像素操作
• 现代图形处理单元（GPU）在渲染3D图形时，会用SIMD处理成千上万个顶点和像素的相同操作

向量处理器是一种实现了SIMD指令集的高性能计算机处理器，它可以同时处理一组数据（向量）上的同一操作，这样的处理器专为执行复杂数学运算而设计的。

想象一个厨师（向量处理器）在一个非常大的厨房里（计算环境）里，有一个巨大的炒锅（向量寄存器），可以同时烹饪大量的食材（数据），这位厨师可以一次性把锅里的所有食材进行相同的烹饪步骤，比如同时翻炒所有的食材，而不是一个接一个翻炒。

1.3 MISD（多指令流单数据流）

• 多条指令流同时操作同一数据
• 难以实现，实际上不存在

1.4 MIMD（多指令流多数据流）

• 多个处理器同时执行不同的指令序列，处理不同的数据
• 大型服务器在处理多用户的不同请求时会使用MIMD，例如Web服务器或数据库服务器

硬件多线程

线程是操作系统里引入的一个概念，在主存中去运行的某一个程序，我们这个单元会把它叫做进程，其实进程内部又可以分成一个一个的小线程，一个小线程里面是可以执行很多很多条指令的

2.1 细粒度多线程

• 细粒度多线程允许处理器在每个时钟周期中轮换不同的线程，去执行不同的指令
• 这种切换通常发生在一个线程执行指令时遇到长时间等待的情况下

2.2 粗粒度多线程

在当前执行的线程被阻塞或完成之后才切换到另一个线程，切换的原因通常是等待I/O操作、长时间的计算或其他资源的延迟

2.3 同时多线程

允许多个线程在同一时间内在多核处理器并行执行，通过在处理器内部共享和复用资源（如算术逻辑单元和寄存器文件）实现

多核处理器

• 将多个处理单元集成到单个CPU中，每个处理单元称为一个核

共享内存多处理器SMP（对称多处理器）

• 两个或多个相同的处理器（CPU）共享主内存、I/O设备等资源，并具有相同的访问内存的能力
• 处理器之间通过⾼速总线或其他数据连接方式相连，可以有效地协作处理任务
• 在SMP系统中，所有处理器共享⼀个操作系统，可以运行在任何处理器上，并共同访问所有资源

4.1 统一存储访问多处理器UMA（对主存是共享的概念）

每个处理器对所有存储单元的访问时间大致相同

对于统一存储访问来说，它对待主存实际上是一个共享的概念，也就是每一个处理器，它可以访问这个主存里面的每一个存储单元，并且访问的时间都是一样的

4.2 非统一存储访问多处理器NUMA（主存划分给不同处理器）

主存被分割给不同的处理器，处理器访问自身附近的内存（本地内存），比访问与远程处理器的内存（远程内存）更快、更便宜

UMA的所有处理器共享同⼀内存空间因此每个处理器中的cache都是共享内存的副本，尤其需要注意个处理器中的cache一致性问题