2026-3-21 CPU多核架构

1 多核架构
 1.1 多核技术
  什么是核？是独立的指令执行和控制单元，有独立的功能部件和独立的控制器，具有完整的指令流水线。一个处理器里面可能有多个核。
  衡量处理器的性能指标有哪些？Instruction Per Clock, IPC，每个时钟周期内可以执行的指令数；处理器的主频，CPU（或者说处理器）的主频就是指CPU的时钟频率，也就是CPU运算工作的频率，CPU是在特定的时钟频率下工作的。
  CPU的功耗有什么？静态功耗，指的是CPU输入输出都没有变化时的功耗，可以忽略不记；动态功耗，指的是CPU输入输出有变化时的功耗，动态功耗P与其频率成正比，P=cV^2 f，其中c为常数，与CPU架构有关，V为电压，f为频率。f受制于V，也就是说V越高，f就可以达到更大；这样由于P跟f成正比，又跟V^2 成正比，所以跟f^3 成正比，因此说明无法通过永远加快频率来改善性能，因为功耗会增加 -> 多核技术。
  多核的诞生来自于追求主频的时候无法解决的散热问题。多核技术把更多的核压在一个芯片当中，提高整个芯片的处理能力。这里解释一下整个流程，应该是一个处理器/芯片/CPU本来里面只有一个核，现在把很多个核都放在一个处理器/芯片/CPU里面。
 1.2 多核芯片
  片上多核处理器体系结构。片上多核处理器(Chip Multi-Processor, CMP)就是将多个计算内核集成在一个处理器芯片中，从而提高计算能力。CMP按计算内核是否对等，分成同构多核和异构多核：计算内核相同，地位对等的称为同构多核；计算内核不同，地位不对等的称为异构多核，异构多核多采用“主处理核+协处理核”的设计。
  核处理器分类。现在相当于我们知道了一个处理器上面可以放多个核，所以可以根据核的数量和每个核是否支持多线程来分类：单核多线程处理器，由单核CPU构成；多核处理器，由多核芯片构成；多核多线程处理器，每个核都是多线程的。这里面的每个核的多线程，就是指的硬件层面将一个核虚拟成两个逻辑核，也就是课上讲到的虚拟线程数量，让操作系统以为有两个核。
  典型多核芯片架构。现在是我们看看具体的多核处理器的实现。
   单核处理器芯片架构：一个芯片里面只有一个核（寄存器+运算器），所有任务串行执行。Pentium单核架构：用缓存、双流水线、分支预测等技术，让一个核内部能同时执行多条指令（ILP），单核性能压缩到极致。单核芯片与外围部件的关系：一个核通过I/O桥和总线连接内存、硬盘、显卡等外设，所有数据都要经过这个核，成为性能瓶颈。总的来说前面就介绍了单核，以及单核的加速，以及单核依旧有的缺陷。
   英特尔开始了第一代主流双核处理器Intel Core 2 Duo，在一个芯片里面放两个核；Core 2的双核结构：一个芯片里面放了两个完整的核，各自有独立的执行单元和L1缓存，共享中间的L2缓存和系统总线，两个核可以同时执行两个不同的线程（而不是虚拟线程）；双核有两种设计：Intel的共享L2缓存，也就是上面介绍的，还有AMD的各自独立1M的L2缓存，不共享，通过Crossbar进行开关，相同点是都在一个芯片里面塞入两个核；双核和两个处理器的区别：两个处理器也就是需要两个芯片，分开的两个芯片通过外在的系统总线进行连接；需要外在软件的支持，以及会产生更多的热量消耗。双核则是一个芯片，在芯片内部两个核直接连接，多线程和多进程自动并行处理，热量消耗增加的很少，封装成本降低。到目前介绍了双核，双核的两种实现和双核和两个处理器的区别。

   多核架构：在一个芯片里面放N个独立核，每个核有寄存器和运算器，共享总线接口，核数可以扩展；
   多核处理器的分类：CU(Control Unit + Interrupt Logic)，指的是控制单元加上中断逻辑，EU(Execution Unit)，指的是执行单元。CU的个数表示操作系统可以看到的逻辑核数量，EU是实际的物理核数量，所以有了以下分类：单核单线程，一个EU，一个CU；单核多线程，一个EU，两个CU；多核处理器，两组EU和CU的组成，各自配套自己的Cache；多核多线程，每一组是一个EU和两个CU的组合，各自配套自己的Cache。

   多核处理器：每个核独自执行自己的进程/线程，核与核直接是真正同时的并行；多个线程并发使用同一个核的资源，核的内部是由多线程实现的并发。核内并发必须要硬件支持多个线程，否则一个核在同一时间只能跑一个线程。
   微处理器和芯片组：微处理器就是CPU，只负责计算，芯片组就是南桥和北桥，负责帮助CPU连接内存，显卡，硬盘等外设。
 1.3 多核中的并行性
  多核中的并行性分成指令级并行(Instruction-Level Parallelism, ILP)和线程级并行(Thread-Level Parallelism, TLP)。解决的核心问题分别是：一个核内部怎么同时执行多条指令，多个核之间怎么执行多个线程。
  指令级并行：当指令之间不存在相关性时，它们在流水线中是可以重叠起来执行的。这种指令序列中存在的潜在并行性称为指令级并行。也就是说，一条指令分成多步（取指令，译码，执行，写回），如果两条指令没有相关关系，就可以同时在流水线的不同阶段执行，不用等前一条完全结束；在机器指令级并行，通过指令级并行，处理器可以调整流水线指令执行顺序，将他们分解成微指令。这是CPU硬件自己做的，在结果正确的情况下打乱指令的执行顺序，把复杂的指令拆解成更细的微指令，让更多指令同时跑在流水线上；能够处理某些在编译阶段无法知道的相关关系（如涉及内存引用时），简化编译设计；能够允许一个流水线机器上编译的指令，在另一个流水线上也能有效运行；指令级并行使处理器速度迅速提高。
  线程级并行：线程级并行将处理器内部的并行由指令级上升到线程级。ILP是在一个核里找并行，TLP是在多核之间找并行，把大任务拆解成多个线程，每个核跑一个。TLP处理器的中心思想是：当某一个线程由于等待内存访问结构而空闲时，可以立刻导入其他的就绪线程来运行。处理器流水线就能够始终处于忙碌状态，系统的处理能力提高了，吞吐量也相应提升。这就是超线程和多核的思想，一个核等内存的时候，其他核继续跑别的线程。真正的TLP需要多核。
  多核处理器是一种特殊的多处理器：MIMD架构，不同的核执行不同的线程（多指令），在内存的不同部分操作（多数据）；共享内存的多处理器，所有核共享同一个内存。
  同步多线程(Simultaneously Multithreading, SMT)，容许多个独立的线程在同一个核上同步执行，可以将多个线程组合到同一个核上。
 1.4 实现多核架构的难点
  内存共享（同步访问）、独立缓存（缓存一致性）、核之间的通信、与系统其他部分的通信。由于共享内存的存在，写代码的时候要考虑互斥量，加锁这些东西。
 1.5 单核和多核的对比与区别
  单核，多处理器以及多核结构之间的简单对比

  单核是一个完整的计算单元；多处理器是两个独立的芯片各有一套完整单元；超线程是一个核里虚拟出两个逻辑核但共享执行单元；多核是一个芯片里有两个真正独立的核各有一套单元。

  共享Cache的多核是两个核共用同一个缓存；采用超线程技术的多核是每个核内部再虚拟出多个逻辑核，这是现代CPU的主流设计。





现代多核采用三级缓存：L1/L2私有，L3共享。