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在去年的IDF Fall论坛上,英特尔正式发布了“Hyper-Threading Technology(超线程技术,以下简称HTT技术)”。并声称通过该技术,处理器(采用超线程技术的处理器,以下简称HTT处理器)在性能方面有望提升25%。而在今年10月7日,英特尔发布了i845PE/GE/GV芯片组,它们的共同亮点就是都正式提供了对超线程技术的支持。从英特尔的产品蓝图来看,支持超线程技术的3.06GHz P4处理器将于11月14日推出。
这一切都表明,超线程技术将成为本年度处理器市场上新的热点。
何为超线程技术
谈到超线程技术,我们先得了解什么是线程,什么是多线程。对于计算机微处理器而言,程序只是一组编译过的机器代码,可以执行相关的数据计算与操作,这些代码由一条条的指令组成,每一个代码组就是一条线程。
现有主流CPU为x86架构,每次只能执行一条线程,即单线程。单CPU系统中,在执行指令的时候,CPU先找出相应指令所在的内存位置,执行下一条指令,再转换到另一个位置,在同一时间内CPU只能对应一个指令。线程可以中断,并把中间结果暂存在另一个特殊位置(堆栈),不同的线程可以交叉运行,实现多任务,但每次运行的线程仍然仅有一条,千万不要把多任务和多线程混淆了。
既然一个CPU是单线程,那么两个CPU自然就可以双线程啦,如此类推,就会出现四路、八路系统。但双处理器系统的性能并不能达到单处理器的两倍,通常只有33%的性能增益。
为了提高CPU的性能,厂商通常采用增加工作频率和缓存容量的方法来提升速度,但这是治标不治本的方法,CPU只提高了速度,其内在潜力依然未能完全发挥,CPU的执行单元没有被充分利用,于是设计者就在CPU中加入两个逻辑处理单元,同时管理CPU的全部资源,直接提高CPU内核的工作效率。
超线程技术就是利用特殊的硬件指令,把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片,让单个处理器都能使用线程级并行计算,从而兼容多线程操作系统和软件,提高处理器的性能。操作系统或者应用软件的多线程可以同时运行于一个HTT处理器上,两个逻辑处理器共享一组处理器执行单元,并行完成加、乘、负载等操作。
如何提升工作效率
那么,超线程技术是如何提高CPU性能的呢?
我们知道,CPU由很多执行单元组成(如整数运算单元、浮点运算单元和存储单元),这些执行单元无法同时工作,大多数时间有一半执行单元是处于空闲状态。例如,MS Office等商业软件主要使用整数运算单元和读写/存储单元,几乎不涉及浮点运算单元,3D渲染软件主要使用浮点运算单元,很少涉及整数运算单元,很明显,这种设计造成了很大的浪费。如P4处理器内部有7个执行单元,每个时钟周期内,约有2个执行单元工作,它们共执行两次操作,那么,其它5个单元完全没有用到。
为了解决这个问题,高端电脑采用了ILP(Instruction Level Parallelism,指令级平行运算)技术,可以同时执行多条指令,提高单CPU的效率。而x86架构只能让多个CPU来执行不同的线程,不过硬件成本增加了不少,于是超线程技术处理器的出现正式兼容两者的优势。
传统处理器和支持超线程处理器在指令执行上的对比,参见图1、图2、图3。
从上面的对比图可以看出:采用了超线程技术后,处理器真正并行执行多个线程,从而在同一频率和缓存的基础上实现了提高系统性能的技术变革。
超线程技术对商用和家用电脑而言,除了全面提升系统性能以外,还增加系统平台所能支持用户的数量,大幅降低系统的反应潜伏时间(因为任务能被分为几个隔离的线程来同时执行),增加系统的指令执行数量,还有一点很关键的是,即使对于现有的IA-32体系软件它也能很好地兼容。因为,HTT处理器还提供一个中断指令,在执行适合单处理器的任务时,暂停其中一个逻辑内核,让操作系统识别为单处理器,在执行适合多处理器的任务时,重新打开逻辑内核,利用HTT来增加整体效率。
软硬件支持与应用
支持超线程技术需软硬件的支持,硬件方面需要主板北桥芯片的支持。目前支持超线程技术的北桥有850E、845E、845G(B版本)、845GV、845GE、845PE,以及未来英特尔能支持到533MHz FSB的北桥都将支持超线程技术。支持400MHz FSB的北桥是不支持超线程技术的,支持超线程技术的处理器配合这样的北桥使用时,只能作为传统的处理器使用。
超线程技术还需要主板对CPU的电源支持,需要主板能提供给处理器高达70A的电流,否则系统可能不能长期稳定工作。除此之处还需要主板BIOS的支持,需要BIOS加入特定的支持HTT处理器的代码。当BIOS检测到是超线程处理器时,在BIOS设置菜单中出现CPU Hyper-Threading(Enabled or Disabled)的选项。
超线程技术还需要操作系统的支持。目前支持超线程技术的有Windows XP和Linux 2.4.X。这不同于传统的处理器安装的Windows XP,使用超线程技术的处理器安装完Windows XP后在设备管理器中能显示有两个处理器和ACPI Multiprocessor PC。
当然你的处理器必须支持超线程技术。从即将于下个月发布的3.06GHz P4开始,英特尔的处理器都将支持超线程技术。
这里笔者以QDI的P2E 333和P8 333这两款主板为例,它们的北桥芯片分别是英特尔845PE和845GE,支持533MHz FSB和DDR333,支持处理器超线程技术;主板的CPU供电电源模块符合英特尔Northwood FMB2标准,能提供70A的电流;在测试中使用超线程处理器3.06GHz P4 CPU(实验样品)开机后,进入BIOS中出现CPU Hyper-Threading的选项。
安装Windows XP后,设备管理器出现两个处理器和ACPI Multiprocessor PC,在任务管理器中出现两个CPU实时使用率的图标,如图4:
笔者对开启和关闭CPU Hyper-Threading功能的测试中,发现启用超线程技术能使系统性能提高近20%左右。
结语
对于传统的处理器,处理器性能上的竞争一直集中在两个方面:增大缓存容量和提高频率。但传统处理器始终存在单个物理运算单元的工作效率低下的弊端,不能充分发挥处理器的性能。在这个基础上,超线程技术应运而生,它是一种特殊的多线程技术,可以充分利用处理器,挖掘单个物理处理器的潜力。超线程技术的出现打破了原来性能竞争集中在缓存和频率的局面,变成了缓存、频率和线程技术三足鼎立的局面。
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