隨著計算機科技的不斷發(fā)展，當今的計算機系統(tǒng)所需的計算能力日益增加。而對于高性能計算領域的應用程序，更需要一定的計算能力來滿足其計算需求。因此，在這種情況下，如何在現代路由器系統(tǒng)中有效地利用可用的硬件資源成為了至關重要的一件事。

Linux系統(tǒng)中的CPU NUMA（非統(tǒng)一內存訪問）是解決這個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現高效的硬件資源分配。

什么是CPU NUMA？

CPU NUMA是一種硬件設計方法，旨在減少多處理器系統(tǒng)中CPU之間的訪問延遲。CPU NUMA的基本原則是實現一個分布式的共享內存。在這種設計中，系統(tǒng)將物理內存劃分為若干個區(qū)域，每個CPU都有自己分配的內存區(qū)域，并且可以訪問其他CPU的內存區(qū)域。

CPU NUMA的好處

CPU NUMA的主要優(yōu)勢在于系統(tǒng)的訪問延遲變得更小，因為每個CPU都可以訪問自己的本地內存，而不必等待其他CPU的內存訪問完成。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，因為CPU NUMA可以使多CPU系統(tǒng)更容易地擴展到更大的系統(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用的技術。在Linux操作系統(tǒng)中，CPU NUMA已經被完全實現了。實現的方式是將內存劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域由一個或多個CPU負責，并且盡可能地將內存塊部署在與處理器位于同一總線或節(jié)點上的內存單元上。

Linux中的CPU NUMA還可以通過一些工具進行測量和調整。例如，numastat可以顯示系統(tǒng)的NUMA拓撲，top命令可以為每個NUMA節(jié)點的CPU顯示獨立的CPU利用率，而numactl命令則可以更改進程的NUMA親和性。

CPU NUMA的應用

CPU NUMA可以廣泛應用于各種高性能計算環(huán)境中。例如，CPU NUMA可用于大型多存儲器服務器上的計算密集型應用程序，這些應用程序可能需要同時訪問大量的內存。同時，CPU NUMA還可以用于允許多個虛擬機同時在單個系統(tǒng)上工作的數據中心應用程序。

結論

在計算機科技的不斷進步下，高性能計算愈加重要。對于這些高性能計算應用程序而言，CPU NUMA是一個理想的工具，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已經被完全實現，可以通過一些測量和調整工具進行調整。因此，CPU NUMA將是未來高性能計算環(huán)境中的一個重要技術。

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CPU，被稱為

中央處理器

，那么一定就是處理各種數據操作的，那么，CPU處理那么龐大的數據，采用了哪些技術呢?我?guī)懔私釩PU的處理技術。

　　

多線程

　　同時多線程Simultaneous Multithreading，簡稱T。T可通過復制處理器上的結構狀態(tài)，讓同一個處理器上的多個線程同步執(zhí)行并共享處理器的執(zhí)行資源，可更大限度地實現寬發(fā)射、亂序的超標量處理，提高處理器運算部件的利用率，緩和由于數據相關或Cache未命中帶來的訪問內存延時。當沒有多個線程可用時，T處理器幾乎和傳統(tǒng)的寬發(fā)射超標量處理器一樣。T更具吸引力的是只需小規(guī)模改變

處理器核心

的設計，幾乎不用增加額外的成本就可以顯著地提升效能。多線程技術則可以為高速的運算核心準備更多的待處理數據，減少運算核心的閑置時間。這對于桌面低端系統(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。

　　

多核心

　　多核心，也指單芯片多處理器(Chip Multiprocessors，簡稱CMP)。CMP是由美國

斯坦福大學

提出的，其思想是將大規(guī)模并行處理器中的P(對稱多處理器)集成到同一芯片內，各個處理器并行執(zhí)行不同的進程。這種依靠多個CPU同時并行地運行程序是實現超高速計算的一個重要方向，稱為并行處理。與CMP比較，T處理器結構的靈活性比較突出。但是，當半導體工藝進入0.18微米以后，線延時已經超過了門延遲，要求

微處理器

的設計通過劃分許多規(guī)模更小、局部性更好的基本單元結構來進行。相比之下，由于CMP結構已經被劃分成多個處理器核來設計，每個核都比較簡單，有利于優(yōu)化設計，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結構。多核處理器可以在處理器內部共享緩存，提高緩存利用率，同時簡化多處理器系統(tǒng)設計的復雜度。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運算速度快，因為核心太多，而不能合理進行分配，所以導致運算速度減慢。在買電腦時請酌情選擇。2023年下半年，Intel和AMD的新型處理器也將融入CMP結構。新安騰處理器開發(fā)代碼為Montecito，采用雙核心設計，擁有最少18MB片內緩存，采取90nm工藝制造。它的每個單獨的核心都擁有獨立的L1，L2和L3 cache，包含大約10億支晶體管。

　　

P

　　P(Symmetric Multi-Processing)，對稱多處理結構的簡稱，是指在一個計算機上匯集了一組處理器(多CPU)，各CPU之間

共享內存

子系統(tǒng)以及總線結構。在這種技術的支持下，一個服務器系統(tǒng)可以同時運行多個處理器，并共享內存和其他的主機資源。像雙至強，也就是所說的二路，這是在對稱處理器系統(tǒng)中最常見的.一種(至強MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路)。也有少數是16路的。但是一般來講，P結構的機器可擴展性較差，很難做到100個以上多處理器，常規(guī)的一般是8個到16個，不過這對于多數的用戶來說已經夠用了。在高性能服務器和工作站級主板架構中最為常見，像UNIX服務器可支持最多256個CPU的系統(tǒng)。

　　構建一套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，再就是支持P的應用軟件。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)。即能夠進行多任務和多線程處理。多任務是指操作系統(tǒng)能夠在同一時間讓不同的CPU完成不同的任務;多線程是指操作系統(tǒng)能夠使得不同的CPU并行的完成同一個任務。

　　要組建P系統(tǒng)，對所選的CPU有很高的要求，首先、CPU內部必須內置APIC(Advanced Programmable Interrupt Controllers)單元。Intel 多處理規(guī)范的核心就是高級可編程中斷控制器(Advanced Programmable Interrupt Controllers–APICs)的使用;再次，相同的產品型號，同樣類型的CPU核心，完全相同的運行頻率;最后，盡可能保持相同的產品序列編號，因為兩個生產批次的CPU作為雙處理器運行的時候，有可能會發(fā)生一顆CPU負擔過高，而另一顆負擔很少的情況，無法發(fā)揮更大性能，更糟糕的是可能導致死機。

　　

NUMA技術

　　NUMA即非一致訪問分布共享存儲技術，它是由若干通過高速專用網絡連接起來的獨立節(jié)點構成的系統(tǒng)，各個節(jié)點可以是單個的CPU或是P系統(tǒng)。在NUMA中，Cache 的一致性有多種解決方案，一般采用硬件技術實現對cache的一致性維護，通常需要操作系統(tǒng)針對NUMA訪存不一致的特性(本地內存和遠端內存訪存延遲和帶寬的不同)進行特殊優(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P模塊用高速專用網絡聯起來，組成一個節(jié)點，每個節(jié)點可以有12個CPU。像Sequent的系統(tǒng)最多可以達到64個CPU甚至256個CPU。顯然，這是在P的基礎上，再用NUMA的技術加以擴展，是這兩種技術的結合。

　　

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)送給各相應電路單元處理的技術。這樣將根據個電路單元的狀態(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)行單元結果按指令順序重新排列。采用亂序執(zhí)行技術的目的是為了使CPU內部電路滿負荷運轉并相應提高了CPU的運行程序的速度。

　　

分枝技術

　　(branch)指令進行運算時需要等待結果，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處理后的結果，再決定是否按原先順序進行。

　　

控制器

　　許多

應用程序

擁有更為復雜的讀取模式(幾乎是隨機地，特別是當cache hit不可預測的時候)，并且沒有有效地利用帶寬。典型的這類應用程序就是業(yè)務處理軟件，即使擁有如亂序執(zhí)行(out of order execution)這樣的CPU特性，也會受內存延遲的限制。這樣CPU必須得等到運算所需數據

被除數

裝載完成才能執(zhí)行指令(無論這些數據來自CPUcache還是主內存系統(tǒng))。當前低段系統(tǒng)的內存延遲大約是ns，而CPU速度則達到了4GHz以上，一次單獨的內存請求可能會浪費次CPU循環(huán)。即使在緩存命中率(cache hit rate)達到99.9%的情況下，CPU也可能會花50%的時間來等待內存請求的結束-比如因為內存延遲的緣故。

　　在處理器內部整合內存控制器，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、降低內存延時和提升處理器性制造工藝：Intel的I5可以達到28納米，在將來的CPU制造工藝可以達到22納米。

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文章名稱：Linux的CPUNUMA：實現高效的硬件資源分配(linuxcpunuma)
轉載來源：http://uogjgqi.cn/article/cocogig.html