SMP对称多处理技术

SMP对称多处理技术解析

最新推荐文章于 2025-12-09 19:26:37 发布

原创最新推荐文章于 2025-12-09 19:26:37 发布 · 877 阅读

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#单片机 #stm32 #嵌入式硬件 #硬件工程

SMP(Symmetrical Multi-Processing)

1.1. 处理器的发展过程

作为核心部件的处理器，它负责对输入的数据进行分析和处理，并进行输出。衡量一个处理器的性能如何，主要有两个方面：每个时钟周期内可以执行的指令数(IPC: Instruction Per Clock)和处理器的主频。在单核处理的时代，对于同一代的架构，改良架构来提高IPC的幅度是非常有限，因此为了提高处理器的性能，只能通过提高CPU的主频。但随着CPU的主频不断提高，一些问题也渐渐地凸显出来。当CPU主频提高到一定程度时，处理器性能并没有出现明显的提升，相反，使得CPU的能耗大大上升，据测算，主频每增加1G，功耗将上升25瓦，而在芯片功耗超过150瓦后，现有的风冷散热系统将无法满足散热的需要。到此，“主频为王”的时代已经走到了尽头，人们不得不另辟蹊径，多核心处理器应运而生。
多核心处理器是指把两个或更多独立处理器封装在一个单一集成电路（IC）中，多核的硬件实现方式可以分为两种，一是将所有具有相同的构架的CPU集成在一起，称为同构多核，它们之间共享系统资源，生活中使用的台式机或者笔记本电脑的CPU处理器大多都是采用这种架构的多核心处理器；二是异构多核，往往同时集成了通用处理器、DSP、FPGA等，主要应用于一些复杂且实时性高的应用场景，如机器人拾取和放置装配线，它需要采集高分辨率的视频图像，并对图像进行处理，正确无误地检测和识别目标，最终通过电机驱动操控机器手臂，完成标记组件的装配。仅靠通用处理器很容易就会负载过重，而导致无法在特定时间完成处理。
早期的手机SoC用的都是由ARM公司提出的“Big.Little”架构，它是在一个集成电路中集成了两种不同类型的ARM核心，一种为高性能Core，称作big core，负责承担高负载的任务，一种为低性能Core，称作little core，用于处理手机的大部分工作负载。随着移动设备的普及，人们对移动设备的性能需求越来越高，相应地便产生了更多能耗， “Big.Little”架构通过对CPU大小核资源的合理调用，使得高性能与低功耗兼得，大大提高了手机电池的续航能力。
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1.2 SMP 的基本概念：平等协作的并行计算范式

对称多处理机（SMP，Symmetric Multiprocessing）是最广泛应用的多处理机架构，其核心特征是“所有处理器地位平等、共享全局资源”，通过简洁而高效的协作模式实现并行计算。

（一）SMP的核心特征

SMP系统的“对称性”体现在多个维度，构成了其独特的并行计算模型：

处理器对称性
所有处理器型号相同、性能一致，无硬件层面的主从区分；
任何处理器都可运行操作系统内核代码、处理中断请求和访问任何I/O设备；
例如：4路服务器中的4个完全相同的AMD EPYC处理器。
内存对称性
所有处理器访问内存的延迟和带宽基本一致（UMA，统一内存访问）；
内存是全局共享的单一地址空间，处理器通过统一的物理地址访问任何内存单元；
区别于NUMA系统的非对称内存访问特性。
资源访问对称性
所有处理器共享相同的I/O设备、总线和外围资源；
设备驱动程序和资源分配由操作系统统一管理，对所有处理器透明；
例如：任何处理器都可直接访问同一个PCIe显卡或SATA硬盘。