考研笔记

多核处理器的基本概念

多核处理器（片上多处理器，CMP）= 在一个芯片里集成多个完整的处理器核心。

定义只有一句话，但这一节真正要讲清楚的是为什么会走到这一步——多核不是”技术进步的自然结果”，它是三条路同时走到头之后的被迫转向。理解了这个来龙去脉，这一节的几道判断题就不用背了。

机制

复制了什么

沿用 5.7.1 那条判据：

复制共享
多核整个核心——控制器、ALU、寄存器、L1 Cache、L2 CacheL3（末级）Cache、内存控制器、内存、I/O

每个核心都是一个完整的处理器——有自己的取指译码、自己的流水线、自己的寄存器、自己的私有 Cache。它们可以各跑各的程序，互不相干。 所以多核属于 MIMD，而且是共享内存的那一类（5.7.4）。

Cache 的私有 / 共享划分是这一节的实质内容：

flowchart TB
    C0["核心 0<br/>L1I + L1D"] --> L20["L2（私有）"]
    C1["核心 1<br/>L1I + L1D"] --> L21["L2（私有）"]
    C2["核心 2<br/>L1I + L1D"] --> L22["L2（私有）"]
    L20 --> L3[("L3 末级 Cache<br/>所有核心共享")]
    L21 --> L3
    L22 --> L3
    L3 --> MEM[("主存")]

    classDef core fill:#dbeafe,stroke:#2563eb,stroke-width:2px
    classDef priv fill:#fde68a,stroke:#d97706,stroke-width:2px
    classDef shared fill:#dcfce7,stroke:#16a34a,stroke-width:2px
    class C0,C1,C2 core
    class L20,L21,L22 priv
    class L3,MEM shared
层次私有还是共享为什么
L1（分 I/D）每核私有要求极快，必须紧贴核心；分 I/D 的理由见 5.6.2
L2通常每核私有容量与延迟的折中
L3（LLC）所有核心共享便于核间共享数据，也提高整体利用率
主存共享单一物理地址空间

私有 Cache 的存在，直接制造了 Cache 一致性问题——同一个内存单元的副本可能同时存在于多个核心的私有 Cache 里，一个核改了，别的核看到的还是旧值。这就是 5.7.4 和 3.5.5 要解决的问题。

为什么转向多核：三堵墙

2005 年前后，单核性能提升的三条路同时撞墙。

墙是什么撞在哪
功耗墙 / 频率墙提高主频功耗随频率超线性上升，散热跟不上
ILP 墙挖指令级并行程序里的 ILP 有限，超标量宽度加不上去（ 检测逻辑，见 5.6.5）
存储墙提高访存速度CPU 与主存的速度差距持续拉大（3.1.2）

功耗墙的定量形式是这一节唯一需要算的东西：

其中 是等效电容、 是电压、 是频率。关键在于：要跑更高的频率，就必须提高电压（否则晶体管开关不够快）。于是 随 一起涨，功耗大致按 的三次方增长。

反过来用这个式子，就得到了多核的全部理由：

把频率降到一半，电压也能降到约一半：

单核

两个这样的核心加起来：

双核

而单核跑满频是 。

吞吐率相当（对可并行的负载），功耗只有约四分之一。

这就是”同等性能下多核更省电”的来源，也是1.3.1 里”功耗”这个指标在本章的落地。

多核带来的新问题

多核不是免费的性能。 它把三个新问题推给了软件：

问题说明去哪里解决
程序必须是并行的串行程序在 8 核上和在 1 核上一样快应用软件
加速比受串行部分限制Amdahl 定律——串行占比 时加速比上限是 算法
共享数据要同步多个核改同一个变量OS 2.3、5.7.4
Cache 一致性私有 Cache 的副本要保持一致硬件协议，3.5.5

第二条值得写清楚：设程序中串行部分占比 、可并行部分占 ，用 个核心：

串行部分占 5%，无论多少个核，加速比也超不过 20 倍。 这是多核路线自身的天花板。

几个常混的名词

疑问点：下列关于双核技术的叙述中，正确的是——A 主板上有两个 CPU；B 利用超线程技术实现；C 在 CPU 上集成两个运算核心；D 双核 CPU 是时间并行的并行计算

选 C。而另外三个选项各自踩中一个不同的辨析点，值得一个一个过。

A. “主板上有两个 CPU”——错，那是多处理器（多路），不是多核。

“路”和”核”是两个不同的计数单位，这是本节最该分清的一对词：

词数的是例子
路（socket）物理芯片的个数双路服务器 = 主板上插 2 颗 CPU
核（core）一颗芯片里的核心个数8 核 CPU = 1 颗芯片里 8 个核
线程（逻辑核）每个核能同时跑几个线程超线程时 = 核数 × 2

三者可以叠加：双路 × 每颗 8 核 × 每核 2 线程 = 32 个逻辑核心。

B. “利用超线程技术实现”——错，这两个是互相独立的技术。

双核超线程
运算部件各有一套共享一套
性能接近两倍（并行负载）15%~30%
属于真正的多处理器同时多线程 SMT

一颗双核 CPU 可以有超线程（→ 4 个逻辑核），也可以没有（→ 2 个逻辑核）。两者正交。

C. “在 CPU 上集成两个运算核心”——对，这就是多核的定义。

D. “时间并行”——错，多核是空间并行。

判据（5.7.1）：复制部件的是空间并行，同一套部件在不同时刻分阶段的是时间并行。

时间并行流水线（唯一）空间并行超标量、、多核、多处理器

疑问点：判断——"同等性能下，采用双核 CPU（相比单核 CPU）可以降低计算机系统的功耗和体积"

对。而且这句话正是多核路线诞生的原因，不是它的一个附带好处。

功耗： 按上面那个式子，两个半频核心达到与一个满频核心相当的吞吐，功耗约为 。因为功耗随频率超线性增长（电压也要跟着涨），把工作摊给更多低频核心总是更省电。

体积： 功耗降下来之后连带的结果——散热器可以更小、电源可以更小、机箱可以更小。反过来，如果要用单核达到同样性能，就得把频率推很高，随之需要更强的散热和供电，整机反而更大。

这句话有一个隐含前提，题目没写但要知道：负载必须是可并行的。 对纯串行程序，双核不会更快，“同等性能”这个前提就不成立了。408 的判断题按”对”处理，但清楚这个前提能防止在别的题上过度推广。

疑问点：判断——"（多核处理器 / 多处理器）通常采用偶数路 CPU，如 2 路、4 路、6 路等"；王道给的是 SMP 一般采用偶数路，那就选最对的

“选最对的”这个处理方式是对的。但这两句里有一句用错了单位，值得指出来。

关键在于”路”数的是芯片，不是核心：

  • “多处理器通常采用偶数路”——用词正确。多处理器系统（SMP）确实按”路”计数，主流是 2 路、4 路、8 路。
  • “多核处理器通常采用偶数路”——单位错位。多核说的是一颗芯片里几个核，应当说”核”而不是”路”。一颗 8 核 CPU 插在单路主板上，它是”1 路 8 核”，说它是”8 路”是错的。

至于”偶数路”这个结论本身，它是经验描述而非硬性规则：

说法实情
SMP 常见 2 / 4 / 8 路✅ 主流确实如此
”偶数路”大体成立，但单路（1 路）服务器极其常见，所以严格说是”多路系统中通常是偶数路”
例子里的”6 路”6 是偶数，与”偶数”这个说法自洽；但实际产品以 2 的幂为主，6 路少见

应试口径：按王道给的”SMP 一般采用偶数路 CPU”记，选它为正确选项。 同时记住”路 ≠ 核”这条，因为它才是真正会被单独设成干扰项的点（比如上一道题的 A 选项）。

边界

边界辨析：路 / 核 / 线程

  • 路（socket）：主板上几颗物理芯片
  • 核（core）：一颗芯片里几个完整核心
  • 线程（逻辑核）：每核能同时跑几个线程（有 SMT 才 ）
逻辑核总数路数每颗核数每核线程数

边界辨析：多核 / 超线程

  • 多核：复制整个核心，运算部件各有一套，性能接近倍增
  • 超线程：只复制线程状态，运算部件共享，提升 15%~30%

两者正交，可以同时存在。

边界辨析：时间并行 / 空间并行

多核、SIMD、超标量都是空间并行；只有流水线是时间并行。

“双核 CPU 是时间并行的并行计算”是错的。

边界辨析：私有 Cache / 共享 Cache

  • L1、L2 通常每核私有 → 这是 Cache 一致性问题的来源
  • L3（末级）所有核共享 → 便于核间共享数据

若所有 Cache 都共享，就没有一致性问题，但也就没有速度。

对照速查

说法判断
双核是在一个 CPU 芯片上集成两个运算核心✅
双核是主板上有两个 CPU❌ 那是双路
双核靠超线程实现❌ 两者正交
双核是时间并行❌ 空间并行
同等性能下多核比单核功耗低、体积小✅
多核属于 MIMD✅ 且是共享内存类
多核各核心共享 L1 Cache❌ L1 私有，L3 共享
串行程序在多核上会自动变快❌ 受 Amdahl 定律限制
撞墙内容
功耗墙，且 随 涨 → 功耗约按 增长
ILP 墙程序自身的指令级并行有限，检测逻辑
存储墙CPU 与主存速度差距持续拉大

考点

  • 双核相关的判断题：四个选项各对应一个辨析点（路/核、超线程、时间/空间并行）。
  • 路、核、线程三个单位：能算出逻辑核心总数。
  • 同等性能下多核更省电：能说出功耗公式和”电压随频率涨”这一条。
  • 私有 / 共享 Cache 的划分：L1、L2 私有，L3 共享；一致性问题源于私有 Cache。
  • Amdahl 定律：串行占比 → 加速比上限 。

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