多核 CPU 的运行模式及其优缺点

多核 CPU 是指在一个芯片上集成了两个或更多的处理器内核，以提高计算性能和并行能力。多核 CPU 的出现是为了应对单核 CPU 的性能瓶颈和功耗问题，但也带来了新的挑战和机遇。本文将介绍多核 CPU 的三种主要运行模式，即非对称多处理（AMP）、对称多处理（SMP）和混合多处理（BMP），并分析它们的优缺点和适用场景。

多核CPU运行模式主要有以下三种：

•非对称多处理（Asymmetric multiprocessing，AMP）——每个CPU内核运行一个独立的操作系统或同一操作系统的独立实例（instantiation）。

•对称多处理（Symmetric multiprocessing，SMP）——一个操作系统的实例可以同时管理所有CPU内核，且应用并不绑定某一个内核。

•混合多处理（Bound multiprocessing，BMP）——一个操作系统的实例可以同时管理所有CPU内核，但每个应用被锁定于某个指定的核心。

1、非对称多处理（AMP）

AMP给开发者提供了一个与传统单核CPU系统相类似的运行环境，使得开发者已有的一系列经验和知识可以继续加以利用；同时，这也为老程序的移植提供了相当大的便利性。

AMP分为同构（homogeneous）和异构（heterogeneous）。前者是指所有内核运行同一种类型和版本的操作系统，后者则是指每个内核运行不同类型或版本的操作系统（比如一个内核运行QNX Neutrino RT，而另一个内核运行Linux）。

在同构环境中，开发人员只要选择一个可提供分布式编程模式的操作系统，就能最大化地利用多核，允许某个内核上的应用程序透明地与另一个内核上的应用/系统服务（如设备驱动、协议堆栈）进行通信，但不会有传统IPC机制所造成的高CPU占有率。

异构环境的要求有些不同。在这种环境下，开发人员要么执行专有的通信协议，要么选择可供IPC共享相同架构（如基于IP）的两个操作系统。为了避免资源冲突，两个操作系统还需要通过一个标准机制来访问被共享的硬件。

在AMP系统中，一个进程（process）总是运行在同一个内核中，即使其他内核处于空闲状态。结果会导致一个内核要么没有被充分利用，要么被利用过度。为了解决这个问题，系统会允许应用程序在内核间动态迁移。然而，这样就需要对状系统信息进行相当复杂的检测。

2、对称多处理（SMP）

所有内核都运行同一个操作系统拷贝。由于操作系统每时每刻都监控着系统的运行状态，因此可以在多核之间分配资源，而无需应用开发人员的干预。另外，操作系统可以提供内嵌的标准化原语（primitives），如pthread_mutex_lock、pthread_mutex_unlock、pthread_spin_lock和pthread_spin_unlock，从而让多个应用可以安全和容易地共享这些资源。

一个设计良好的SMP 操作系统允许多个应用线程协同地运行在任何一个内核上。这种协同性使得应用程序任何时候都可以利用芯片的整体计算能力。如果操作系统能提供适当的优先权和线程优先排序能力，就能帮助应用开发人员确保CPU为最需要的应用服务。

3、混合多处理（BMP）

由QNX倡导的BMP结合了SMP高级资源管理和AMP应用控制的混合功能。BMP跟SMP一样具有透明资源管理功能，不同的是，可以让开发人员将软件任务锁定在指定的内核上。

与SMP相比，BMP带来了几大优势。它允许共享同一个数据集（data set）的应用独立地运行在同一个内核上，从而消除了SMP系统中会降低性能的CACHE冲突。BMP还可以让为单核环境编写的传统程序正确地运行在多核环境，即让这些应用运行在某一个内核上。

在BMP系统中，锁定于一个内核的应用无法利用其他内核，即使其他内核处于空闲状态。

4、异步双核和同步双核的解释

同步CPU——Synchronous，Synchronism，是指各个CPU内核必须以相同频率相同电压时工作或同时休息，不能轮流工作，二级缓存共享。CPU性能得到最大发挥，但同时也带来更高的功耗。目前手机同步双核包括三星Exynos4210，德仪OMAP44x0，Nvidia的Tegra2等，代表有三星i9100，MOTO XT910，LG P990。

异步CPU——Asynchronism，各个CPU内核能够同时以相同或不同频率电压处理不同任务，二级缓存共享，显著降低能耗。目前异步双核手机处理器多采用了高通的处理器，比如高通MSM8260（代表机型是小米M1，HTC的G14，G17，G18等）、MSM8660（代表机型是小米电信定制版、三星GALAXY SII（I929）、酷派9900等）、MSM8960（代表机型华硕PadFone、三星GALAXY SIII (I535)、HTC One XC和海尔W910等）、APQ8060（代表机型三星GALAXY SII HD LTE等）等。

同步异步的区别：同步的2个CPU是一个整体，无论多少个任务指令 ，都同时合力先完成一个，然后再完成下一个，和电脑CPU相似。
异步的2个CPU可独立工作，分别完成不同的任务。在第一个CPU未达到满载状态时，第二个CPU首选执行其他任务或者空闲（不启动）；只有在第一个CPU满载非常严重的情况，第二个CPU才会主动分担第一个CPU的任务。所以并不是网络上谣传的两个核心不能同时执行一个任务。

通过本文的介绍，我们了解了多核 CPU 的三种主要运行模式，以及它们的优缺点和适用场景。我们可以根据自己的需求和应用特点，选择合适的运行模式来充分利用多核 CPU 的性能和并行能力。多核 CPU 是计算机技术发展的一个重要趋势，它为嵌入式系统、云计算、人工智能等领域带来了新的可能性。

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