52、并行处理：多线程、芯片多处理器与集群技术解析

并行处理：多线程、芯片多处理器与集群技术解析

一、多线程与芯片多处理器

1.1 处理器性能衡量与多线程概念

处理器性能的重要衡量指标是指令执行速率，可用公式 MIPS 速率 = f * IPC 表示。其中，f 是处理器时钟频率（MHz），IPC 是每个时钟周期执行的平均指令数。为提高性能，设计者主要从提高时钟频率和增加每个周期执行的指令数两方面入手。传统方法如使用指令流水线和超标量架构增加 IPC，但因复杂性和功耗问题可能达到极限。

多线程是一种无需增加电路复杂性和功耗即可实现高度指令级并行的方法。它将指令流划分为多个线程，使这些线程能并行执行。

1.2 隐式和显式多线程

在讨论多线程处理器时，需明确几个概念：
- 进程 ：计算机上运行的程序实例，具有资源所有权和调度/执行两个关键特性。资源所有权包括虚拟地址空间、主存、I/O 通道等；调度/执行指进程的执行路径，可能与其他进程交错执行。
- 进程切换 ：将处理器从一个进程切换到另一个进程的操作，需保存和替换进程控制数据、寄存器等信息。
- 线程 ：进程内可调度的工作单元，包含处理器上下文和自己的栈数据区，能顺序执行且可中断。
- 线程切换 ：在同一进程内将处理器控制权从一个线程切换到另一个线程，通常比进程切换成本低。

线程主要关注调度和执行，而进程还涉及资源所有权。现代操作系统大多支持线程，分为用户级线程和内核级线程，统称为显式线程。目前商业和实验处理器大多使用显式多线程，