5.5 多处理器的基本概念
Flynn 分类法（SISD、SIMD、MISD、MIMD）与向量处理器；硬件多线程（细粒度、粗粒度、同时多线程）；多核处理器；共享内存多处理器 SMP 与 UMA/NUMA。
Flynn 分类法
Flynn 按照指令流和数据流的多倍性，把计算机体系结构分为四类：
| 类型 | 含义 | 特点与例子 |
|---|---|---|
| SISD | 单指令流单数据流 | 传统的串行单处理器。一个处理器、一个主存；可以采用指令流水线、超标量等技术提高速度 |
| SIMD | 单指令流多数据流 | 一个指令控制部件，多个处理单元。各处理单元在同一条指令控制下，对不同的数据执行相同的操作，实现数据级并行。适合数组、向量运算等循环处理；如向量处理器、x86 的 SSE/AVX 指令 |
| MISD | 多指令流单数据流 | 多条指令同时对同一个数据流进行处理，实际上不存在这样的计算机 |
| MIMD | 多指令流多数据流 | 多个处理器各自执行不同的指令、处理不同的数据，实现线程级或更高级别的并行。分为多处理器系统（共享存储，通过共享变量通信）和多计算机系统（各有私有存储，通过消息传递通信） |
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。一条向量指令可以对一组数据执行相同的操作，例如一条指令完成两个 64 元素向量的逐元素相加。向量处理器设有多个向量寄存器，并采用流水化的向量功能部件；它省去了标量循环中大量的取指、译码和转移操作，访存也更有规律。
硬件多线程
在传统 CPU 中，线程切换要由操作系统保存和恢复上下文，开销很大。硬件多线程在一个处理器核中为每个线程提供独立的寄存器堆和 PC，线程切换由硬件完成，开销很小。这样，当一个线程因 Cache 缺失等原因阻塞时，处理器可以执行其他线程的指令，减少功能部件的空闲。
| 类型 | 切换方式 | 特点 |
|---|---|---|
| 细粒度多线程 | 多个线程轮流交叉执行指令，每个时钟周期切换一次 | 能隐藏短的和长的阻塞，但单个线程的执行被拖慢 |
| 粗粒度多线程 | 仅在一个线程出现较大开销的阻塞（如 L2 Cache 缺失）时才切换 | 单线程不会被拖慢；但切换时要排空流水线，不能隐藏短阻塞 |
| 同时多线程（SMT） | 在同一个时钟周期内发射多个不同线程的指令 | 是超标量与多线程的结合，功能部件的利用率最高。Intel 的超线程（Hyper-Threading）技术就是 SMT |
多核处理器
多核处理器是指把多个处理单元（核）集成到单个芯片中，每个核可以有自己的 L1 Cache，多个核通常共享 L2 或 L3 Cache 以及主存。各核可以并行执行不同的线程或进程，实现线程级并行。
与硬件多线程的区别：硬件多线程是一个核中的多个线程共享功能部件；多核是多个核各自拥有完整的功能部件，两者可以同时采用（如一个 4 核 8 线程的处理器）。
共享内存多处理器（SMP）
具有共享的单一物理地址空间的多处理器称为共享内存多处理器（SMP）。所有处理器通过存储器中的共享变量相互通信，都能通过存取指令访问任何存储单元。由于多个处理器可能同时访问同一个共享变量，需要同步机制（如加锁），且各处理器的 Cache 之间需要维护一致性。
按访存时间是否相同，SMP 又分为两类：
- 统一存储访问（UMA）多处理器：每个处理器访问任何存储单元的时间大致相同；
- 非统一存储访问（NUMA）多处理器：每个处理器有自己的本地存储器，访问本地存储器比访问其他处理器的存储器快。
即时练习
即时练习4 题
点击选项即可作答
- 1下列关于 SIMD 的叙述中，正确的是（ ）。
- 2下列关于多处理器系统的叙述中，错误的是（ ）。
- 3同时多线程（SMT）技术的特点是（ ）。
- 4下列关于硬件多线程的叙述中，错误的是（ ）。
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