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隨著計(jì)算機(jī)科技的不斷發(fā)展，當(dāng)今的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需的計(jì)算能力日益增加。而對(duì)于高性能計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用程序，更需要一定的計(jì)算能力來滿足其計(jì)算需求。因此，在這種情況下，如何在現(xiàn)代路由器系統(tǒng)中有效地利用可用的硬件資源成為了至關(guān)重要的一件事。
Linux系統(tǒng)中的CPU NUMA（非統(tǒng)一內(nèi)存訪問）是解決這個(gè)問題的有效方法之一。本文將深入探討Linux的CPU NUMA，并討論它如何幫助實(shí)現(xiàn)高效的硬件資源分配。
什么是CPU NUMA？
CPU NUMA是一種硬件設(shè)計(jì)方法，旨在減少多處理器系統(tǒng)中CPU之間的訪問延遲。CPU NUMA的基本原則是實(shí)現(xiàn)一個(gè)分布式的共享內(nèi)存。在這種設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)將物理內(nèi)存劃分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)CPU都有自己分配的內(nèi)存區(qū)域，并且可以訪問其他CPU的內(nèi)存區(qū)域。
CPU NUMA的好處
CPU NUMA的主要優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)的訪問延遲變得更小，因?yàn)槊總€(gè)CPU都可以訪問自己的本地內(nèi)存，而不必等待其他CPU的內(nèi)存訪問完成。因此，系統(tǒng)的整體性能將得到提高。此外，CPU NUMA還可以提高系統(tǒng)的可伸縮性，因?yàn)镃PU NUMA可以使多CPU系統(tǒng)更容易地?cái)U(kuò)展到更大的系統(tǒng)。
Linux中的CPU NUMA
Linux系統(tǒng)中的CPU NUMA是一種比較成熟和普遍應(yīng)用的技術(shù)。在Linux操作系統(tǒng)中，CPU NUMA已經(jīng)被完全實(shí)現(xiàn)了。實(shí)現(xiàn)的方式是將內(nèi)存劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由一個(gè)或多個(gè)CPU負(fù)責(zé)，并且盡可能地將內(nèi)存塊部署在與處理器位于同一總線或節(jié)點(diǎn)上的內(nèi)存單元上。
Linux中的CPU NUMA還可以通過一些工具進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整。例如，numastat可以顯示系統(tǒng)的NUMA拓?fù)?，top命令可以為每個(gè)NUMA節(jié)點(diǎn)的CPU顯示獨(dú)立的CPU利用率，而numactl命令則可以更改進(jìn)程的NUMA親和性。
CPU NUMA的應(yīng)用
CPU NUMA可以廣泛應(yīng)用于各種高性能計(jì)算環(huán)境中。例如，CPU NUMA可用于大型多存儲(chǔ)器服務(wù)器上的計(jì)算密集型應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可能需要同時(shí)訪問大量的內(nèi)存。同時(shí)，CPU NUMA還可以用于允許多個(gè)虛擬機(jī)同時(shí)在單個(gè)系統(tǒng)上工作的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序。
結(jié)論
在計(jì)算機(jī)科技的不斷進(jìn)步下，高性能計(jì)算愈加重要。對(duì)于這些高性能計(jì)算應(yīng)用程序而言，CPU NUMA是一個(gè)理想的工具，可以使系統(tǒng)的訪問延遲減少，從而提高整體性能。在Linux系統(tǒng)中，CPU NUMA已經(jīng)被完全實(shí)現(xiàn)，可以通過一些測(cè)量和調(diào)整工具進(jìn)行調(diào)整。因此，CPU NUMA將是未來高性能計(jì)算環(huán)境中的一個(gè)重要技術(shù)。
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CPU的處理技術(shù)有哪些
CPU，被稱為
中央處理器
，那么一定就是處理各種數(shù)據(jù)操作的，那么，CPU處理那么龐大的數(shù)據(jù)，采用了哪些技術(shù)呢?我?guī)懔私釩PU的處理技術(shù)。
多線程
同時(shí)多線程Simultaneous Multithreading，簡(jiǎn)稱T。T可通過復(fù)制處理器上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，讓同一個(gè)處理器上的多個(gè)線程同步執(zhí)行并共享處理器的執(zhí)行資源，可更大限度地實(shí)現(xiàn)寬發(fā)射、亂序的超標(biāo)量處理，提高處理器運(yùn)算部件的利用率，緩和由于數(shù)據(jù)相關(guān)或Cache未命中帶來的訪問內(nèi)存延時(shí)。當(dāng)沒有多個(gè)線程可用時(shí)，T處理器幾乎和傳統(tǒng)的寬發(fā)射超標(biāo)量處理器一樣。T更具吸引力的是只需小規(guī)模改變
處理器核心
的設(shè)計(jì)，幾乎不用增加額外的成本就可以顯著地提升效能。多線程技術(shù)則可以為高速的運(yùn)算核心準(zhǔn)備更多的待處理數(shù)據(jù)，減少運(yùn)算核心的閑置時(shí)間。這對(duì)于桌面低端系統(tǒng)來說無疑十分具有吸引力。Intel從3.06GHz
Pentium 4
開始，部分處理器將支持T技術(shù)。
多核心
多核心，也指單芯片多處理器(Chip Multiprocessors，簡(jiǎn)稱CMP)。CMP是由美國(guó)
斯坦福大學(xué)
提出的，其思想是將大規(guī)模并行處理器中的P(對(duì)稱多處理器)集成到同一芯片內(nèi)，各個(gè)處理器并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。這種依靠多個(gè)CPU同時(shí)并行地運(yùn)行程序是實(shí)現(xiàn)超高速計(jì)算的一個(gè)重要方向，稱為并行處理。與CMP比較，T處理器結(jié)構(gòu)的靈活性比較突出。但是，當(dāng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)入0.18微米以后，線延時(shí)已經(jīng)超過了門延遲，要求
微處理器
的設(shè)計(jì)通過劃分許多規(guī)模更小、局部性更好的基本單元結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。相比之下，由于CMP結(jié)構(gòu)已經(jīng)被劃分成多個(gè)處理器核來設(shè)計(jì)，每個(gè)核都比較簡(jiǎn)單，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此更有發(fā)展前途。IBM 的Power 4芯片和Sun的MAJC5200芯片都采用了CMP結(jié)構(gòu)。多核處理器可以在處理器內(nèi)部共享緩存，提高緩存利用率，同時(shí)簡(jiǎn)化多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。但這并不是說明，核心越多，性能越高，比如說16核的CPU就沒有8核的CPU運(yùn)算速度快，因?yàn)楹诵奶?，而不能合理進(jìn)行分配，所以導(dǎo)致運(yùn)算速度減慢。在買電腦時(shí)請(qǐng)酌情選擇。2023年下半年，Intel和AMD的新型處理器也將融入CMP結(jié)構(gòu)。新安騰處理器開發(fā)代碼為Montecito，采用雙核心設(shè)計(jì)，擁有最少18MB片內(nèi)緩存，采取90nm工藝制造。它的每個(gè)單獨(dú)的核心都擁有獨(dú)立的L1，L2和L3 cache，包含大約10億支晶體管。
P
P(Symmetric Multi-Processing)，對(duì)稱多處理結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)稱，是指在一個(gè)計(jì)算機(jī)上匯集了一組處理器(多CPU)，各CPU之間
共享內(nèi)存
子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。在這種技術(shù)的支持下，一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)處理器，并共享內(nèi)存和其他的主機(jī)資源。像雙至強(qiáng)，也就是所說的二路，這是在對(duì)稱處理器系統(tǒng)中最常見的.一種(至強(qiáng)MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路)。也有少數(shù)是16路的。但是一般來講，P結(jié)構(gòu)的機(jī)器可擴(kuò)展性較差，很難做到100個(gè)以上多處理器，常規(guī)的一般是8個(gè)到16個(gè)，不過這對(duì)于多數(shù)的用戶來說已經(jīng)夠用了。在高性能服務(wù)器和工作站級(jí)主板架構(gòu)中最為常見，像UNIX服務(wù)器可支持最多256個(gè)CPU的系統(tǒng)。
構(gòu)建一套P系統(tǒng)的
必要條件
是：支持P的硬件包括主板和CPU;支持P的系統(tǒng)平臺(tái)，再就是支持P的應(yīng)用軟件。為了能夠使得P系統(tǒng)發(fā)揮高效的性能，操作系統(tǒng)必須支持P系統(tǒng)，如WINNT、LINUX、以及UNIX等等32位操作系統(tǒng)。即能夠進(jìn)行多任務(wù)和多線程處理。多任務(wù)是指操作系統(tǒng)能夠在同一時(shí)間讓不同的CPU完成不同的任務(wù);多線程是指操作系統(tǒng)能夠使得不同的CPU并行的完成同一個(gè)任務(wù)。
要組建P系統(tǒng)，對(duì)所選的CPU有很高的要求，首先、CPU內(nèi)部必須內(nèi)置APIC(Advanced Programmable Interrupt Controllers)單元。Intel 多處理規(guī)范的核心就是高級(jí)可編程中斷控制器(Advanced Programmable Interrupt Controllers–APICs)的使用;再次，相同的產(chǎn)品型號(hào)，同樣類型的CPU核心，完全相同的運(yùn)行頻率;最后，盡可能保持相同的產(chǎn)品序列編號(hào)，因?yàn)閮蓚€(gè)生產(chǎn)批次的CPU作為雙處理器運(yùn)行的時(shí)候，有可能會(huì)發(fā)生一顆CPU負(fù)擔(dān)過高，而另一顆負(fù)擔(dān)很少的情況，無法發(fā)揮更大性能，更糟糕的是可能導(dǎo)致死機(jī)。
NUMA技術(shù)
NUMA即非一致訪問分布共享存儲(chǔ)技術(shù)，它是由若干通過高速專用網(wǎng)絡(luò)連接起來的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是單個(gè)的CPU或是P系統(tǒng)。在NUMA中，Cache 的一致性有多種解決方案，一般采用硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)cache的一致性維護(hù)，通常需要操作系統(tǒng)針對(duì)NUMA訪存不一致的特性(本地內(nèi)存和遠(yuǎn)端內(nèi)存訪存延遲和帶寬的不同)進(jìn)行特殊優(yōu)化以提高效率，或采用特殊軟件編程方法提高效率。NUMA系統(tǒng)的例子。這里有3個(gè)P模塊用高速專用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)起來，組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有12個(gè)CPU。像Sequent的系統(tǒng)最多可以達(dá)到64個(gè)CPU甚至256個(gè)CPU。顯然，這是在P的基礎(chǔ)上，再用NUMA的技術(shù)加以擴(kuò)展，是這兩種技術(shù)的結(jié)合。
亂序執(zhí)行
亂序執(zhí)行(out-of-orderexecution)，是指CPU允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。這樣將根據(jù)個(gè)電路單元的狀態(tài)和各指令能否提前執(zhí)行的具體情況分析后，將能提前執(zhí)行的指令立即發(fā)送給相應(yīng)電路單元執(zhí)行，在這期間不按規(guī)定順序執(zhí)行指令，然后由重新排列單元將各執(zhí)行單元結(jié)果按指令順序重新排列。采用亂序執(zhí)行技術(shù)的目的是為了使CPU內(nèi)部電路滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)并相應(yīng)提高了CPU的運(yùn)行程序的速度。
分枝技術(shù)
(branch)指令進(jìn)行運(yùn)算時(shí)需要等待結(jié)果，一般無條件分枝只需要按指令順序執(zhí)行，而條件分枝必須根據(jù)處理后的結(jié)果，再?zèng)Q定是否按原先順序進(jìn)行。
控制器
許多
應(yīng)用程序
擁有更為復(fù)雜的讀取模式(幾乎是隨機(jī)地，特別是當(dāng)cache hit不可預(yù)測(cè)的時(shí)候)，并且沒有有效地利用帶寬。典型的這類應(yīng)用程序就是業(yè)務(wù)處理軟件，即使擁有如亂序執(zhí)行(out of order execution)這樣的CPU特性，也會(huì)受內(nèi)存延遲的限制。這樣CPU必須得等到運(yùn)算所需數(shù)據(jù)
被除數(shù)
裝載完成才能執(zhí)行指令(無論這些數(shù)據(jù)來自CPUcache還是主內(nèi)存系統(tǒng))。當(dāng)前低段系統(tǒng)的內(nèi)存延遲大約是ns，而CPU速度則達(dá)到了4GHz以上，一次單獨(dú)的內(nèi)存請(qǐng)求可能會(huì)浪費(fèi)次CPU循環(huán)。即使在緩存命中率(cache hit rate)達(dá)到99.9%的情況下，CPU也可能會(huì)花50%的時(shí)間來等待內(nèi)存請(qǐng)求的結(jié)束-比如因?yàn)閮?nèi)存延遲的緣故。
在處理器內(nèi)部整合內(nèi)存控制器，使得
北橋芯片
將變得不那么重要，改變了處理器訪問主存的方式，有助于提高帶寬、降低內(nèi)存延時(shí)和提升處理器性制造工藝：Intel的I5可以達(dá)到28納米，在將來的CPU制造工藝可以達(dá)到22納米。
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