CPU知识详解-超线程技术

    CPU 生产商为了提高 CPU 的性能，通常做法是提高 CPU 的时钟频率和增加缓存容量。不过，目前 CPU 的频率越来越快，如果再通过提升 CPU 频率和增加缓存的方法来提高性能，往往会受到制造工艺上的限制以及成本过高的制约。

    尽管提高 CPU 的时钟频率和增加缓存容量后，的确可以改善性能，但这样的 CPU 性能提高，在技术上存在较大的难度。实际上在应用中，基于很多原因，CPU 的执行单元都没有被充分使用。如果 CPU 不能正常读取数据（总线/内存的瓶颈），其执行单元利用率会明显下降。另外，就是目前大多数执行线程缺乏 ILP（Instruction-Level Parallelism，多种指令同时执行）支持。这些都造成了目前 CPU 的性能没有得到全部的发挥。因此，Intel 则采用另一个思路去提高 CPU 的性能，让 CPU 可以同时执行多重线程，就能让 CPU 发挥更大效率，即所谓“超线程（Hyper-Threading，简称 HT）”技术。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，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了 CPU 的闲置时间，提高了 CPU 的运行效率。

　　采用超线程，就是在同一时间里，应用程序可以使用芯片的不同部分。虽然单线程芯片每秒钟能够处理成千上万条指令，但是在任一时刻，只能够对一条指令进行操作。而超线程技术，可以使芯片同时进行多线程处理，使芯片性能得到提升。 

　　超线程技术是在一颗 CPU 同时执行多个程序而共同分享一颗 CPU 内的资源，理论上要像两颗 CPU 一样，在同一时间执行两个线程，P4 处理器需要多加入一个 Logical CPU Pointer（逻辑处理单元）。因此，新一代的 P4 HT 的 die 的面积比以往的 P4 增大了 5%。而其余部分，如 ALU（整数运算单元）、FPU（浮点运算单元）、L2 Cache（二级缓存）则保持不变，这些部分是被分享的。

　　虽然采用超线程技术能同时执行两个线程，但它并不象两个真正的 CPU 那样，每个 CPU 都具有独立的资源。当两个线程都同时需要某一个资源时，其中一个要暂时停止，并让出资源，直到这些资源闲置后才能继续。因此，超线程的性能并不等于两颗 CPU 的性能。

　　英特尔 P4 超线程有两个运行模式，Single Task Mode（单任务模式）及 Multi Task Mode（多任务模式）。当程序不支持 Multi-Processing（多处理器作业）时，系统会停止其中一个逻辑 CPU 的运行，把资源集中于单个逻辑 CPU 中，让单线程程序不会因其中一个逻辑 CPU 闲置而减低性能。但由于被停止运行的逻辑 CPU 还是会等待工作，占用一定的资源，因此 Hyper-Threading CPU 运行 Single Task Mode 程序模式时，有可能达不到不带超线程功能的 CPU 性能，但性能差距不会太大。也就是说，当运行单线程应用软件时，超线程技术甚至会降低系统性能，尤其是在多线程操作系统运行单线程软件时，容易出现此问题。 

　　需要注意的是，含有超线程技术的 CPU，需要芯片组及软件的支持，才能比较理想的发挥该项技术的优势。

　　目前，支持超线程技术的芯片组包括：

　　英特尔 i845GE、PE 及矽统 iSR658 RDRAM、SiS645DX、SiS651 可直接支持超线程；

　　英特尔 i845E、i850E 通过升级 BIOS 后可支持；

　　威盛 P4X400、P4X400A 可支持，但未获得正式授权。

　　目前，支持超线程技术的操作系统有：

　　Microsoft Windows XP

　　Microsoft Windows 2003

　　Linux kernel 2.4.x 以后的版本，也支持超线程技术。