多处理器的基本概念

1. 计算机体系结构

• 分类依据：根据指令流和数据流的数量关系，计算机体系结构可分为四种类型：SISD、SIMD、MISD、MIMD。

（1）SISD 单指令流单数据流

• 定义：任意时刻计算机只能执行单一指令操作单一数据。
• 特点：
  • 传统桌面计算机处理文本编辑或简单图形操作时采用。
  • 指令执行过程是串行的。
• 类比：如同单个厨师按食谱单独完成整个菜肴的制作过程。

（2）SIMD 单指令流多数据流

• 定义：一条指令同时操作多个数据
• 适用场景：
  • 重复相同操作（如图像处理中的像素操作）
  • 现代 GPU 渲染 3D 图形时处理顶点和像素
• 实现方式：通过指令控制部件指挥多个处理单元并行操作
• 类比：单个厨师指挥多个助手同时完成食谱不同部分的食材处理

（3）MISD 多指令流单数据流

• 定义：多条指令流同时操作同一数据
• 现状：
  • 难以实现且不必要
  • 实际中不存在此类架构
• 类比：多个厨师对同一份食材进行不同处理（如一个切菜一个腌制）

（4）MIMD 多指令流多数据流

• 定义：多个处理器同时执行不同指令序列处理不同数据
• 应用场景：
  • 大型服务器处理多用户请求
  • Web 服务器和数据库服务器
• 特点：各处理器独立执行指令流处理各自数据流
• 类比：多个厨师各自独立按不同食谱做不同的菜

（5）总结

• 核心区别：
  • SISD：单指令单数据（串行处理）
  • SIMD：单指令多数据（向量化处理）
  • MISD：多指令单数据（理论存在）
  • MIMD：多指令多数据（完全并行）
• 效率对比：SIMD 相比 SISD 可并行处理相同指令，效率更高

（6）向量处理器

• 本质：SIMD 的变体，专为复杂数学运算设计
• 特点：
  • 处理数据量级远大于普通 SIMD
  • 使用向量寄存器同时处理大量数据
• 工作方式：一次性对向量中所有元素执行相同操作
• 类比：厨师用超大炒锅同时翻炒所有食材

2. 线程

• 定义：操作系统中的基本执行单位
• 与进程关系：
  • 进程包含多个线程
  • 每个线程可执行多条指令
• 注意：详细区别将在操作系统课程中讲解

3. 细粒度多线程

• 实现方式：处理器每个时钟周期轮换不同线程
• 优势：避免因单个线程阻塞导致资源闲置
• 调度机制：按固定时间片轮转执行各线程指令

4. 粗粒度多线程

• 实现方式：当前线程阻塞或完成后才切换
• 切换条件：等待 I/O 操作、长时间计算等资源延迟
• 特点：相比细粒度切换频率低，上下文切换开销小

5. 同时多线程

• 实现基础：多核处理器
• 特点：多个线程指令在同一时间内并行执行
• 资源利用：通过处理器内部资源共享和复用实现

6. 多核处理器

• 定义：单个 CPU 中集成多个处理单元（核）
• 特点：
  • 各核有独立执行单元和 cache
  • 共享主存资源
• 现代应用：当前计算机普遍采用多核架构

7. 共享内存多处理器

• 别名：对称多处理器 (SMP)
• 基本特征：
  • 多个相同处理器共享主存和 I/O 设备
  • 通过高速总线互联
  • 共享单一操作系统

（1）统一存储访问 UMA 多处理器

• 内存访问：
  • 所有处理器平等访问全部内存单元
  • 访问时间基本一致
• 缓存问题：需特别注意各处理器中的 cache 的一致性

（2）非统一存储访问 NUMA 多处理器

• 内存分配：主存分割给不同处理器
• 访问特点：
  • 访问本地内存更快（自身附近）
  • 访问远程内存较慢（远程内存）
• 适用场景：需要大规模并行处理的系统