多處理器的基本概念

1. 計算機體系結構

• 分類依據：根據指令流和數據流的數量關系，計算機體系結構可分為四種類型：SISD、SIMD、MISD、MIMD。

（1）SISD 單指令流單數據流

• 定義：任意時刻計算機只能執行單一指令操作單一數據。
• 特點：
  • 傳統桌面計算機處理文本編輯或簡單圖形操作時采用。
  • 指令執行過程是串行的。
• 類比：如同單個廚師按食譜單獨完成整個菜肴的制作過程。

（2）SIMD 單指令流多數據流

• 定義：一條指令同時操作多個數據
• 適用場景：
  • 重復相同操作（如圖像處理中的像素操作）
  • 現代 GPU 渲染 3D 圖形時處理頂點和像素
• 實現方式：通過指令控制部件指揮多個處理單元并行操作
• 類比：單個廚師指揮多個助手同時完成食譜不同部分的食材處理

（3）MISD 多指令流單數據流

• 定義：多條指令流同時操作同一數據
• 現狀：
  • 難以實現且不必要
  • 實際中不存在此類架構
• 類比：多個廚師對同一份食材進行不同處理（如一個切菜一個腌制）

（4）MIMD 多指令流多數據流

• 定義：多個處理器同時執行不同指令序列處理不同數據
• 應用場景：
  • 大型服務器處理多用戶請求
  • Web 服務器和數據庫服務器
• 特點：各處理器獨立執行指令流處理各自數據流
• 類比：多個廚師各自獨立按不同食譜做不同的菜

（5）總結

• 核心區別：
  • SISD：單指令單數據（串行處理）
  • SIMD：單指令多數據（向量化處理）
  • MISD：多指令單數據（理論存在）
  • MIMD：多指令多數據（完全并行）
• 效率對比：SIMD 相比 SISD 可并行處理相同指令，效率更高

（6）向量處理器

• 本質：SIMD 的變體，專為復雜數學運算設計
• 特點：
  • 處理數據量級遠大于普通 SIMD
  • 使用向量寄存器同時處理大量數據
• 工作方式：一次性對向量中所有元素執行相同操作
• 類比：廚師用超大炒鍋同時翻炒所有食材

2. 線程

• 定義：操作系統中的基本執行單位
• 與進程關系：
  • 進程包含多個線程
  • 每個線程可執行多條指令
• 注意：詳細區別將在操作系統課程中講解

3. 細粒度多線程

• 實現方式：處理器每個時鐘周期輪換不同線程
• 優勢：避免因單個線程阻塞導致資源閑置
• 調度機制：按固定時間片輪轉執行各線程指令

4. 粗粒度多線程

• 實現方式：當前線程阻塞或完成后才切換
• 切換條件：等待 I/O 操作、長時間計算等資源延遲
• 特點：相比細粒度切換頻率低，上下文切換開銷小

5. 同時多線程

• 實現基礎：多核處理器
• 特點：多個線程指令在同一時間內并行執行
• 資源利用：通過處理器內部資源共享和復用實現

6. 多核處理器

• 定義：單個 CPU 中集成多個處理單元（核）
• 特點：
  • 各核有獨立執行單元和 cache
  • 共享主存資源
• 現代應用：當前計算機普遍采用多核架構

7. 共享內存多處理器

• 別名：對稱多處理器 (SMP)
• 基本特征：
  • 多個相同處理器共享主存和 I/O 設備
  • 通過高速總線互聯
  • 共享單一操作系統

（1）統一存儲訪問 UMA 多處理器

• 內存訪問：
  • 所有處理器平等訪問全部內存單元
  • 訪問時間基本一致
• 緩存問題：需特別注意各處理器中的 cache 的一致性

（2）非統一存儲訪問 NUMA 多處理器

• 內存分配：主存分割給不同處理器
• 訪問特點：
  • 訪問本地內存更快（自身附近）
  • 訪問遠程內存較慢（遠程內存）
• 適用場景：需要大規模并行處理的系統