五、中央处理器（六）多处理器的基本概念

目录

一、SISD、SIMD、MIMD、向量处理器的基本概念

1.1单指令流单数据流（SISD）结构

1.2单指令流多数据流（SIMD）结构

1.3多指令流单数据流（MISD）结构

1.4多指令流多数据流（MIMD）结构

1.4.1多处理器系统（SMP）

1.4.2多计算机系统 

1.5 向量处理器

二、硬件多线程的基本概念

三、多核处理器(multi-core)的基本概念

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一、SISD、SIMD、MIMD、向量处理器的基本概念

基于指令流的数量和数据流的数量，将计算机体系结构分为SISD、SIMD、MISD和MIMD四类。其英文为 signle instruction multiple data。

常规的单处理器为SISD，常规的多处理器为MIMD。

1.1单指令流单数据流（SISD）结构

一个处理器和一个存储器。

为了提高速度：

1. 采用流水线方式。
2. 设置多个功能部件，即为超标量处理机。
3. 多模块交叉方式组织存储器（内存的低位交叉编址）

1.2单指令流多数据流（SIMD）结构

一个指令流同时对多个数据流进行处理，称为数据级并行技术。 各指令序列只能并发，不能并行。

一个指令控制部件、多个处理单元。每个执行单元有各自的寄存器组、局部存储器、地址寄存器。

1.3多指令流单数据流（MISD）结构

 同时执行多条指令，处理同一个数据。大可不必，现实中不使用这种结构。

1.4多指令流多数据流（MIMD）结构

特性：各指令序列并行执行，分别处理多个不同的数据，是一种线程级并行、甚至是线程级以上并行技术。 

 MIMD进一步分为多处理器系统（全称为共享内存多处理器、SMP）和多计算机系统。

1.4.1多处理器系统（SMP）

特性是各处理器之间，可以通过LOAD/STORE指令，访问同一个主存储器，可通过主存相互传送数据。

硬件组成为：一台计算机内，包含多个处理器加一个主存储器。多个处理器共享单一的物理地址空间。 

1.4.2多计算机系统 

特性为：各计算机之间，不同通过LOAD/STORE指令直接访问对方的存储器，只能通过“消息传递”相互传送数据。

硬件组成为：由多台计算机组成，因此拥有多个处理器+多个主存储器，每台计算机拥有各自的私有存储器，物理地址空间相互独立。

 

1.5 向量处理器

向量处理器是SIMD的变体，是一种实现了直接操作一维数组（向量）指令集的CPU，而串行处理器只能处理单一数据集。

其特性为：一条指令的处理对象是“向量”，擅长对向量型数据并行计算、浮点数运算，常被用于超级计算机中，处理科学研究中巨大运算量。

硬件组成为：多个处理单元，多组“向量寄存器”。主存储器应采用“多个端口同时读取”的交叉多模块存储器。主存储器大小限定了机器的解题规模，因此要有大容量的、集中式的主存储器。

二、硬件多线程的基本概念

 

 

三、多核处理器(multi-core)的基本概念

多核处理器是指将多个CPU核心集成到一个封装中，核心又称内核。在提升CPU性能的同时对比多处理器能降低CPU的体积。

多核CPU通常是对称的。多核CPU的各核心可以有独自的Cache，也可以共享同一个Cache。

只有支持多线程的并行处理程序才能同时在多个核心上运行，发挥多核的优势。

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超线程技术把多线程处理器内部的两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器就能使用线程级的并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件。超线程技术充分利用空闲CPU资源，在相同时间内完成更多工作。 

虽然采用超线程技术能够同时执行两个线程，当两个线程同时需要某个资源时，其中一个线程必须让出资源暂时挂起，直到这些资源空闲以后才能继续。因此，超线程的性能并不等于两个CPU的性能。而且，超线程技术的CPU需要芯片组、操作系统和应用软件的支持，才能比较理想地发挥该项技术的优势。