【计算机】CPU工作方式、多核心、超线程技术详解

【计算机】CPU⼯作⽅式、多核⼼、超线程技术详解
CPU架构
要谈超线程和多核，就不得不谈CPU的架构和逻辑。

⽆关的技术细节太多，这⾥略去。

我们重点谈⼀下CPU中两个相关的模块：
1）Processing Unit（运算处理单元），简称PU
2）Architectual State（），简称AS
PU⼀般就是执⾏运算，⽐如算数运算加减乘除。

AS执⾏⼀些逻辑和调度⽅⾯的操作，⽐如控制内存访问等。

单核CPU（先从简单的谈起）
⼀般⼀块传统意义的CPU上会有⼀个PU、⼀个AS。

⽐喻：⼀个⼩饭馆（单核CPU），夫妻⽼婆店，⽼板兼⼤厨厨房炒菜，⽼板娘兼服务员点单。

这不，来了⼀个客⼈，⾸先，⾛到⽼板娘的收银台前，看菜单准备点单。

差不多5分钟后，客⼈点完了⼀份盖浇饭。

⽼板娘抄好了单，递给了在后厨的⽼公。

⽼公开始炒菜。

在这个例⼦中，⽼板娘可以理解成AS，⽼板/⼤厨可以理解称PU（⼲实事的）。

多核CPU
这⾥说的多核，是多个物理核，⽐如i3的双核，i5的4核。

这中架构下，每⼀个物理核都有⼀个PU和⼀个AS。

所以。

对于i3来说，就有总共两个PU，两个AS。

对于i5来说，就有总过4个PU，4个AS。

⽐喻：上⾯⼩饭馆的列⼦，对于5、6个客⼈可能还能忙的过来。

但设想⼀下⼦来他个16个客⼈，这队估计要排到街上了。

如果再告诉你，每10分种就有16个新客⼈过来点单。

完了。

⽣意估计是做不下去了 - ⽼板、⽼板娘忙到死。

这时，我们就需要⼀个更⼤的单位⾷堂（
）。

有4个服务⽣、4个⼤厨。

4个服务⽣同时点单，4个⼤厨同时开炒（1号服务⽣专给⼀号⼤厨下单，⼆号服务神⽣专给⼆号⼤厨下单。

以此类推）。

这样相⽐⼩饭馆⼀个⽼板娘、⼀个客⼈队列，这⾥成了4个队列，效率顿时⽐⼩饭馆提⾼4倍。

16个客⼈，平均分配成4个队列，每个队列就只有4个客⼈了，情况是不是好了很多？
这个应该还是⽐较容易理解的。

超线程技术(HT)
超线程⼀般指的是硬件架构⽅⾯的：通过增加逻辑处理器5%的裸晶⾯积，模拟出两个AS ，以此换来cpu15%~30%的性能提升。

简单的说吧，在原来⼀个core包含⼀个AS和PU的基础上多模拟出⼀个AS
⽐喻：刚刚那个单位⾷堂，4个服务⽣，4个⼤厨，4个队列。

会不会效率问题？
有！
设想每个客⼈都有看单选单的时候，你能保证每个客⼈都看两眼就下单？有的客⼈难免会磨磨蹭蹭，问东问西，⼀个菜点它个15分钟。

⽽设想⼤厨平均炒⼀个菜只要10分种。

那剩下的那5分钟呢？⼤厨在厨房闲着没事⼲，喝茶看报纸。

时间全被客⼈-服务⽣点菜这个环节给浪费掉了。

那有没有解决⽅法？我想⼤家应该都能猜出来了
--- 增加服务⽣！
这时候，我们给每个⼤厨多增加⼀个服务⽣，从⼀个服务⽣变成了两个服务⽣（AS），服务⽣1A和服务⽣1B开两个队列，同时给⼀个⼤厨（PU）下单。

这样，当出现服务⽣1A的客⼈15分钟单⼦都没有下完的情况下，1B的客⼈单⼦很有可能3分钟下好送给⼤厨开炒了（PU），这样⼤厨就不会站在厨房傻等1A客⼈的订单。

这样，最⼤限度地榨⼲⼤厨的劳动⼒（⼤厨估计要骂娘了），⽽对于CPU来说，最⼤限度的提⾼了CPU的使⽤率，减少了CPU的（IDLE）空闲时间。

有的时候，真不能怪⼤厨（PU）不卖⼒，⽽是你服务⽣（AS）叫单太墨迹。

在下图中，橙⾊和蓝⾊表明⼤厨（PU/CPU）是在⼯作的，⽩⾊格⼦表明⼤厨（PU）是空闲的。

A图是单核没有没有⽤超线程，B图双核没有超线程，图C是单核启⽤了超线程。

可以清晰地看到，从单核增加到双核（在没有超线程的情况下），CPU使⽤率并没有增加。

⽽⽤了超线程后，整体CPU使⽤率提⾼了，虽然只是⼀个核。

左边的图是
，右边的图是双核，不带超线程。

看出区别了吧？
现在来看实际中多核和超线程的相关问题：
1）i3 双核4线程，和i5 4核4线程，是⼀回事吗？
⾸先先说⼀下i3，i3是双核，开了HT以后，变成4个逻辑核（4线程）。

最新的Win10我不知道，但在Win7⾥⾯逻辑核是被显⽰成物理核的，和i5⼀样。

那i3和i5⼀回事吗？如果你觉得是⼀回事，那我上⾯的东东全都是⽩写了。

i3是4个服务⽣两个厨⼦，i5是4个服务⽣4个厨⼦，你觉得⼀样吗
2）那i5 4核4线程，相⽐较开了HT的i7（4核8线程）⼀样吗？
i5是4个服务⽣4个厨⼦。

i7如果开了HT，是8个服务⽣4个厨⼦。

当然从CPU利⽤率尤其是运⾏多进程/线程程序上⾯来看，是开了HT的i7好。

3）那i5 4核4线程，相⽐较关了HT的i7（4核4线程）⼀样吗？
i5是4个服务⽣4个厨⼦。

i7如果关了HT，也是4个服务⽣4个厨⼦。

乍⼀看差不多，⾄少在⼤厨（PU）、服务⽣（AS）的数量上打成平⼿。

但是i7的单核处理能⼒要稍强于i5，也就是说i7的厨⼦是特级厨⼦，i5的厨⼦的⼀级厨⼦。

所以其实i5和i7还是有差距，但是从理论上来说，差距并不是特别⼤。

总结：理论上来说，i3和i5的差距是相当的⼤。

⽽i5和i7差距主要是厨⼦（PU）质量的好坏和多出的那4个服务⽣。

其实差距并不是像i5-i3之间的差距那么⼤。

4）那对与同⼀个CPU，⽐如i7，开了HT有什么优点：
- 并⾏能⼒增强：处理多进程/线程的能⼒加强，对于⽀持多线程的游戏提供⽐较明显。

- CPU利⽤率增⾼：⼀般理论上，总体性能提⾼差不多20%-30%。

从这个⾓度上看，i3开启了超线程，提⾼了20%-30%整体⽔平。

但是，这就意味着能和i5打成平⼿了如果这是真的话，i5也不要卖了。

两个⼤厨(i3)，不是我等拿个鞭⼦抽抽就能顶的上4个⼤厨(i5)的。

5）开HT有什么缺点
- 单核性能下降：
⼀般在5%-15%之间，主要表现在运⾏单线程程序。

两个AS的额外开销⽐⼀个AS的开销要⼤
⽐喻：只有⼀个客⼈来点餐，指定⼀号⼤厨，但你两个服务⽣站在那⼉，⽽这个客⼈可能就会过⼀下脑⼦，想想，我是找服务⽣1A呢，还是服务⽣1B呢？？这么⼀想，半分钟过去了。

是不是还不如只有⼀个服务⽣来的简单。

所以现实中我们超算系统测试跑分的时候⼀般都是要HT关掉的，因为追求极限性能。

现在最新的CPU可以做到5%-15%的性能损耗，⽽⽼的超线程CPU，⽐如10⼏年前的⽼奔腾4/志强，我见过单核性能超过50%的性能损耗的，启动HT的额外开销极⼤。

- 电费增加，⼀般功耗平均上升30%。

你多请的4个服务⽣，不⽤给⼯钱
- 在核特别多的情况下，⽐如
的情况下，容易发⽣拥塞。

⽐喻：试想⼀个超⼤的⾷堂，有56个服务员（双CPU，28核，56线程⾄强E5系列CPU），来了⼏百个⼈过来，是不是会乱了套？⼤家刚进⾷堂⼀开始都不知道该排哪个队了（⼀般决定排哪个队，是定下的）。

（在操作系统的安排下）⼀个客⼈，把56个队列⼀条⼀条地查⼀遍，看看哪条队客⼈最少就排哪条。

我想问的是，现实中你去⾷堂打饭，假设有56个队，你会⼀条⼀条的检查，找出⼈最少的队，然后再做决定吗？估计你56条队查完，15分钟过去了，你的⼩伙伴饭都吃完了。

这时候，是不是我将队伍减少到28个队，对你来说会相对容易⼀些？（当然28队也还还是够累的）
- ⽼系统⽀持的差
⽐如⽼的Win2008，Win2000，对超线程⽀持⽐较差。

⽐喻：如果⾷堂⽐较空，没⼈。

这时候来了两个客⼈A和B来订餐，结果两个⼈分别跑到同⼀个⼤厨的两个服务⽣1A和1B上排队（⼀般这都是操作系统⼲的好事），你能发现哪⼉不对劲吗？
正确的做法应该是A去⼀号⼤厨（1号物理核），B去⼆号⼤厨（2号物理核）。

你让A，B都挤到⼀号⼤厨那⾥，⼆号、三号、四号⼤厨啥事没有，闲到死，有意义吗？
其实问题就在于，操作系统不能分辨物理核和逻辑核。

看那⾥有两个服务⽣，两个队列，就以为有两个⼤厨，所以把客⼈A和B分别打发到1A和1B去排队，完全不知道后厨的实际情况 - 究竟有⼏个⼤厨。