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2023年上半年 上午试卷 综合知识
第 14 题
知识点 多核技术   体系结构   线程  
章/节 软件工程  
 
 
与单核处理器相比,多核处理器在( )设计等方面面临看巨大的挑战,但也蕴含着巨大的潜能。CMP(单芯片多处理器)和 SMT(同步多线程处理器)是目前较为流行的两种多核体系结构,CMP 相对 SMT 的最大优势还在于其( )设计的简洁性。
 
  A.  体系结构、硬件、软件和封装
 
  B.  体系结构、硬件、安全性和封装
 
  C.  体系结构、软件、功耗和安全性
 
  D.  硬件、软件、功耗和安全性
 
 




 
 
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知识点讲解
· 多核技术
· 体系结构
· 线程
 
        多核技术
        多内核是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)。多核技术的开发源于工程师们认识到,仅仅提高单核芯片的速度会产生过多热量且无法带来相应的性能改善,先前的处理器产品就是如此。通过多核芯片,可以使计算机满足“横向扩展”(而非“纵向扩充”),从而提高性能。多核技术实现了分治法的战略,通过划分任务,线程应用能够充分利用多个执行内核,并可在特定的时间内执行更多任务。多核处理器是单枚芯片(硅核),能够直接插入单一的处理器插槽中,但操作系统会利用所有相关的资源,将它的每个执行内核作为分立的逻辑处理器。通过在两个执行内核之间划分任务,多核处理器可在特定的时钟周期内执行更多任务。
        多核体系结构能够使目前的软件更出色地运行,并创建一个促进未来的软件编写更趋完善的体系结构,现有软件无须被修改就可支持多核平台。操作系统专为充分利用多个处理器而设计,且无须修改就可运行。为了充分利用多核技术,应用开发人员需要在程序设计中融入更多思路,但设计流程与目前SMP系统的设计流程相同,并且现有的单线程应用也将继续运行。
        多核技术能够使服务器并行处理任务,而在以前,这可能需要使用多个处理器,多核系统更易于扩充,并且能够在更纤巧的外形中融入更强大的处理性能,这种外形所用的功耗更低、计算功耗产生的热量更少。
        多核技术是处理器发展的必然,是技术发展和应用需求的必然产物。这主要基于以下事实:
        (1)晶体管时代即将到来。根据摩尔定律,微处理器的速度以及单片集成度每18个月就会翻一番。据估计,到2010年左右,芯片上集成的晶体管数目将超过10亿个。多核技术通过在一个芯片上集成多个简单的处理器核,充分利用这些晶体管资源,发挥其最大的能效。
        (2)门延迟逐渐缩短,而全局连线延迟却不断加长。随着VLSI工艺技术的发展,晶体管特征尺寸不断缩小,使得晶体管门延迟不断减少,但互连线延迟却不断变大。当芯片的制造工艺达到0.18微米甚至更小时,线延迟已经超过门延迟,成为限制电路性能提高的主要因素。在这种情况下,由于单芯片多处理器的分布式结构中全局信号较少,与集中式结构的超标量处理器结构相比,在克服线延迟影响方面更具优势。
        (3)符合Pollack规则。按照Pollack规则,处理器性能的提升与其复杂性的平方根成正比。如果一个处理器的硬件逻辑提高一倍,至多能提高性能40%,而如果采用两个简单的处理器构成一个相同硬件规模的双核处理器,则可以获得70%~80%的性能提升。同时在面积上也同比缩小。
        (4)能耗不断增长。随着工艺技术的发展和芯片复杂性的增加,芯片的发热现象日益突出。多核处理器里单个核的速度较慢,处理器消耗较少的能量,产生较少的热量。同时,原来单核处理器里增加的晶体管可用于增加多核处理器的核。在满足性能要求的基础上,多核处理器通过关闭(或降频)一些处理器等低功耗技术,可以有效地降低能耗。
        (5)设计成本的考虑。随着处理器结构复杂性的不断提高,和人力成本的不断攀升,设计成本随时间呈线性甚至超线性的增长。多核处理器通过处理器IP等的复用,可以极大地降低设计的成本。同时模块的验证成本也显著下降。
        (6)体系结构发展的必然。超标量结构和超长指令字结构在目前的高性能微处理器中被广泛采用。但是它们的发展都遇到了难以逾越的障碍。超标量结构使用多个功能部件同时执行多条指令,实现指令级的并行(Instruction-Level Parallelism, ILP)。但其控制逻辑复杂,实现困难,研究表明,超标量结构的ILP一般不超过8。超长指令字结构使用多个相同功能部件执行一条超长的指令,但也有两大问题:编译技术支持和二进制兼容问题。
 
        体系结构
        RPR的体系结构如下图所示。RPR采用了双环结构,由内层的环1和外层的环0组成,每个环都是单方向传送。相邻工作站之间的跨距包含传送方向相反的两条链路。RPR支持多达255个工作站,最大环周长为2000km。
        
        RPR体系结构
 
        线程
        传统的进程有两个基本属性:可拥有资源的独立单位;可独立调度和分配的基本单位。引入线程的原因是进程在创建、撤销和切换中,系统必须为之付出较大的时空开销,故在系统中设置的进程数目不宜过多,进程切换的频率不宜太高,这就限制了并发程度的提高。引入线程后,将传统进程的两个基本属性分开,线程作为调度和分配的基本单位,进程作为独立分配资源的单位。用户可以通过创建线程来完成任务,以减少程序并发执行时付出的时空开销。
        例如,在文件服务进程中可设置多个服务线程,当一个线程受阻时,第二个线程可以继续运行,当第二个线程受阻时,第三个线程可以继续运行……从而显著地提高了文件系统的服务质量及系统的吞吐量。
        这样,对于拥有资源的基本单位,不用频繁地切换,进一步提高了系统中各程序的并发程度。需要说明的是,线程是进程中的一个实体,是被系统独立分配和调度的基本单位。线程基本上不拥有资源,只拥有一点运行中必不可少的资源(如程序计数器、一组寄存器和栈),它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。
        线程也具有就绪、运行和阻塞3种基本状态。由于线程具有许多传统进程所具有的特性,故称为“轻型进程(Light-Weight Process)”;传统进程称为“重型进程(Heavy-Weight Process)”。线程可创建另一个线程,同一个进程中的多个线程可并发执行。
        线程分为用户级线程(User-Level Threads)和内核支持线程(Kernel-Supported Threads)两类。用户级线程不依赖于内核,该类线程的创建、撤销和切换都不利用系统调用来实现;内核支持线程依赖于内核,即无论是在用户进程中的线程,还是在系统中的线程,它们的创建、撤销和切换都利用系统调用来实现。某些系统同时实现了两种类型的线程。
        与线程不同的是,不论是系统进程还是用户进程,在进行切换时,都要依赖于内核中的进程调度。因此,不论是什么进程都是与内核有关的,是在内核支持下进行切换的。尽管线程和进程表面上看起来相似,但它们在本质上是不同的。



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