浅谈多CPU、多核CPU、超线程技术、SMP

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。

关于Die可以参看 《一文搞懂晶圆 Die CPU 之间的关系》。

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 SMP

SMP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。

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.

审核编辑：黄飞