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CPU的處理技術有哪些

時間：2022-04-20 08:25:10 電腦

CPU的處理技術有哪些

　　CPU，被稱為中央處理器，那么一定就是處理各種數據操作的，那么，CPU處理那么龐大的數據，采用了哪些技術呢?小編帶你了解CPU的處理技術。

　　多線程

　　同時多線程Simultaneous Multithreading，簡稱SMT。SMT可通過復制處理器上的結構狀態，讓同一個處理器上的多個線程同步執行并共享處理器的執行資源，可最大限度地實現寬發射、亂序的超標量處理，提高處理器運算部件的利用率，緩和由于數據相關或Cache未命中帶來的訪問內存延時。當沒有多個線程可用時，SMT處理器幾乎和傳統的寬發射超標量處理器一樣。SMT最具吸引力的是只需小規模改變處理器核心的設計，幾乎不用增加額外的成本就可以顯著地提升效能。多線程技術則可以為高速的運算核心準備更多的待處理數據，減少運算核心的閑置時間。這對于桌面低端系統來說無疑十分具有吸引力。Intel從3.06GHz Pentium 4開始，部分處理器將支持SMT技術。

　　多核心

　　多核心，也指單芯片多處理器(Chip Multiprocessors，簡稱CMP)。CMP是由美國斯坦福大學提出的，其思想是將大規模并行處理器中的SMP(對稱多處理器)集成到同一芯片內，各個處理器并行執行不同的進程。這種依靠多個CPU同時并行地運行程序是實現超高速計算的一個重要方向，稱為并行處理。與CMP比較，SMT處理器結構的靈活性比較突出。但是，當半導體工藝進入0.18微米以后，線延時已經超過了門延遲，要求微處理器的設計通過劃分許多規模更小、局部性更好的基本單元結構來進行。相比之下，由于CMP結構已經被劃分成多個處理器核來設計，每個核都比較簡單，有利于優化設計，因此更有發展前途。IBM 的Power 4芯片和Sun的MAJC5200芯片都采用了CMP結構。多核處理器可以在處理器內部共享緩存，提高緩存利用率，同時簡化多處理器系統設計的復雜度。但這并不是說明，核心越多，性能越高，比如說16核的CPU就沒有8核的CPU運算速度快，因為核心太多，而不能合理進行分配，所以導致運算速度減慢。在買電腦時請酌情選擇。2005年下半年，Intel和AMD的新型處理器也將融入CMP結構。新安騰處理器開發代碼為Montecito，采用雙核心設計，擁有最少18MB片內緩存，采取90nm工藝制造。它的每個單獨的核心都擁有獨立的L1，L2和L3 cache，包含大約10億支晶體管。

　　SMP

　　SMP(Symmetric Multi-Processing)，對稱多處理結構的簡稱，是指在一個計算機上匯集了一組處理器(多CPU)，各CPU之間共享內存子系統以及總線結構。在這種技術的支持下，一個服務器系統可以同時運行多個處理器，并共享內存和其他的主機資源。像雙至強，也就是所說的二路，這是在對稱處理器系統中最常見的一種(至強MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路)。也有少數是16路的。但是一般來講，SMP結構的機器可擴展性較差，很難做到100個以上多處理器，常規的一般是8個到16個，不過這對于多數的用戶來說已經夠用了。在高性能服務器和工作站級主板架構中最為常見，像UNIX服務器可支持最多256個CPU的系統。

　　構建一套SMP系統的必要條件是：支持SMP的硬件包括主板和CPU;支持SMP的系統平臺，再就是支持SMP的應用軟件。為了能夠使得SMP系統發揮高效的性能，操作系統必須支持SMP系統，如WINNT、LINUX、以及UNIX等等32位操作系統。即能夠進行多任務和多線程處理。多任務是指操作系統能夠在同一時間讓不同的CPU完成不同的任務;多線程是指操作系統能夠使得不同的CPU并行的完成同一個任務。

　　要組建SMP系統，對所選的CPU有很高的要求，首先、CPU內部必須內置APIC(Advanced Programmable Interrupt Controllers)單元。Intel 多處理規范的核心就是高級可編程中斷控制器(Advanced Programmable Interrupt Controllers–APICs)的使用;再次，相同的產品型號，同樣類型的CPU核心，完全相同的運行頻率;最后，盡可能保持相同的產品序列編號，因為兩個生產批次的CPU作為雙處理器運行的時候，有可能會發生一顆CPU負擔過高，而另一顆負擔很少的情況，無法發揮最大性能，更糟糕的是可能導致死機。

　　NUMA技術

　　NUMA即非一致訪問分布共享存儲技術，它是由若干通過高速專用網絡連接起來的獨立節點構成的系統，各個節點可以是單個的CPU或是SMP系統。在NUMA中，Cache 的一致性有多種解決方案，一般采用硬件技術實現對cache的一致性維護，通常需要操作系統針對NUMA訪存不一致的特性(本地內存和遠端內存訪存延遲和帶寬的不同)進行特殊優化以提高效率，或采用特殊軟件編程方法提高效率。NUMA系統的例子。這里有3個SMP模塊用高速專用網絡聯起來，組成一個節點，每個節點可以有12個CPU。像Sequent的系統最多可以達到64個CPU甚至256個CPU。顯然，這是在SMP的基礎上，再用NUMA的技術加以擴展，是這兩種技術的結合。

　　亂序執行

　　亂序執行(out-of-orderexecution)，是指CPU允許將多條指令不按程序規定的順序分開發送給各相應電路單元處理的技術。這樣將根據個電路單元的狀態和各指令能否提前執行的具體情況分析后，將能提前執行的指令立即發送給相應電路單元執行，在這期間不按規定順序執行指令，然后由重新排列單元將各執行單元結果按指令順序重新排列。采用亂序執行技術的目的是為了使CPU內部電路滿負荷運轉并相應提高了CPU的運行程序的速度。

　　分枝技術

　　(branch)指令進行運算時需要等待結果，一般無條件分枝只需要按指令順序執行，而條件分枝必須根據處理后的結果，再決定是否按原先順序進行。

　　控制器

　　許多應用程序擁有更為復雜的讀取模式(幾乎是隨機地，特別是當cache hit不可預測的時候)，并且沒有有效地利用帶寬。典型的這類應用程序就是業務處理軟件，即使擁有如亂序執行(out of order execution)這樣的CPU特性，也會受內存延遲的限制。這樣CPU必須得等到運算所需數據被除數裝載完成才能執行指令(無論這些數據來自CPUcache還是主內存系統)。當前低段系統的內存延遲大約是120-150ns，而CPU速度則達到了4GHz以上，一次單獨的內存請求可能會浪費200-300次CPU循環。即使在緩存命中率(cache hit rate)達到99.9%的情況下，CPU也可能會花50%的時間來等待內存請求的結束-比如因為內存延遲的緣故。

　　在處理器內部整合內存控制器，使得北橋芯片將變得不那么重要，改變了處理器訪問主存的方式，有助于提高帶寬、降低內存延時和提升處理器性制造工藝：Intel的I5可以達到28納米，在將來的CPU制造工藝可以達到22納米。

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