多核处理器与MP架构

多核处理器也称片上多核处理器（Chip Multi-Processor，CMP）。

多核处理器的流行

多核出现前，商业化处理器都致力于单核处理器的发展，其性能已经发挥到极致，仅仅提高单核芯片的速度会产生过多热量且无法带来相应性能改善，但CPU性能需求大于CPU发展速度。尽管增加流水线提高频率，但缓存增加和漏电流控制不力造成功率大幅增加，性能反而不如之前低频率的CPU。功率增加，散热问题也严重了，风冷已经不能解决问题了。

那么新技术必须出现-多核处理器。早在1996年就有第一款多核CPU原型Hydra。2001年IBM推出第一个商用多核处理器POWER4,2005年Intal和AMD多核处理器大规模应用。

多核处理器越来越流行，无论在服务器、桌面、上网本、平板、手机还是医疗设备、国防、航天等方面。

我们来了解一下基础知识。

多核处理器分类-同构、异构

从硬件的角度来看，多核设计分为两类。

• 如果所有的核心或CPU具有相同的构架，那么定义为同构多核（homogeneous）；
• 如果架构不同，那么称为异构（heterogeneous）多核。

从应用来看，同构多核处理器中大多数由通用处理器核构成，每个核可以独立运行，类似单核处理器。而异构多核处理器往往同时继承了通用处理器、DSP、FPGA、媒体处理器、网络处理器等。每个内核针对不同的需求设定的，从而提高应用的计算性能或实时性能。

目前的异构多处理器有：TI的达芬奇平台DM6000系列（ARM9+DSP）、Xilinx的Zynq7000系列（双核Cortex-A9+FPGA）、Cell处理器（1个64位POWERPC+8个32位协处理器）等等。

同构多处理器就比较多了，Exynos4412，freescale i.mx6 dual和quad系列、TI的OMAP4460等，Intel的Core Duo、Core2 Duo等。

多核处理器运行模式-SMP、AMP、BMP

从软件的角度来看，多核处理器的运行模式有三种：

• SMP：对称多处理，symmetric multi-processing
• AMP：非对称多处理，asymmetric multi-processing
• BMP：混合多处理，bound multi-processing

运行模式	名称	意义	特点
SMP	Symmetric Multi-Processing	对称多处理器结构	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）
AMP	Asymmetric Multi-Processing	非对称多处理器结构	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。
BMP	Bound Multi-Processing	混合多处理器结构	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（具有明确的边界）

简单的解释一下：

• AMP-多个核心相对独立的运行不同的任务，每个核心可能运行不同的操作系统或裸机程序，或者不同版本的操作系统。但是有一个主要核心，用来控制整个系统以及其它从核心。具有主从模式。

举个例子，比如一个主要核心控制用户界面UI，从核心控制数据采集以及输出。还有POS机，一个负责UI，一个负责交易。也就是两者负责不同的任务。每个核心有自己的内存空间（同时会有共享的内存空间），另外两者之间还有一定的通信机制。从硬件上来说，这种多处理模式可能是同构的，也可能是异构的，但大多情况是异构多处理器。如MCU+DSP，MCU+FPGA等。同构的当然也有。比如Xilinx就提供了案例，Sun公司的Solari4.1.3系统也支持AMP模式（从主从角度来看，而不是多个操作系统）。Mars Board也可以运行AMP模式。

• SMP-对称多处理，这个是目前用的最多的，一个OS同等的管理各个内核，为各个内核分配工作负载。目前，大多数的系统都支持SMP模式，如Linux，Vxworks，windows。这种模式就是简单提高运行性能。比如PC机上双核、四核运行windows，linux等。所有的核心共享内存。另外，这种模式的通常都是同构多核处理器，因为异构的结构不同，实现比较复杂。

• BMP-边界多处理，和SMP类似，也是一个OS管理所有内核，但是不同的是，BMP中，开发者可以指定将某个任务仅在某个指定内核上执行。

可按我自己的理解，Linux（操作系统）可以将线程（任务）绑定到某个CPU执行（这种特性叫做：“CPU亲和性”），这是否是一种BMP-SMP转换呢？

上述三种模式都有其各自的优点和缺点。每一个模式适合于解决某方面的特定问题，而且对操作系统的要求也各不相同。

相关术语

CPU和处理器(Processor)在一般的计算机技术文档中是同义词，但是在SMP硬件平台上对两者进行区分有助于准确描述问题，同时我们还定义了其它几个术语：

CPU：特指一个硅处理单元，该单元可以执行程序指令和处理数据，和多核（Multi-Core）中的核（Core）是同义词，本文对Core和CPU不加区分；

• 处理器(Processor)：指一个物理硅片，里面可能会包含一个或者多个CPU；

• 单核处理器(Uniprocessor)：指的是一个物理硅片，该硅片中仅仅含有一个CPU；

• 多处理器(Multiprocessor)：指的是一个硬件系统，其中可以包含有多个处理器(Processor);

SMP硬件平台：指的是包含SMP处理器的硬件系统，SMP处理器可以是一个对称多核处理器，也可以是多个对等的单核处理器构成。CPU之间、或者单核处理器之间的地位平等，即它们平等的访问内存和外设资源，硬件系统的内存结构必须是UMA(一致内存访问)体系结构。

在嵌入式业内多核处理器更多的是指对称多核处理器，例如：

A：以ZedBoard 开发板是一个SMP硬件平台，该平台使用的双核处理器是一个多核处理器(Multicore Processor)，在该处理器中集成了两个CPU(即Core)，这两个Core都是Core-A9架构的。

B：以ZC106 开发板 是一个 AMP硬件平台，该平台使用的双核处理器是一个多核处理器(Multicore Processor)，在该处理器中集成了两个CPU(即Core)，一个 是 Cortex-A9架构的核，另外一个Cortex-R5 的核。

AP：Application Processor，应用处理器

BP：Baseband Processor，基带处理器

GPU：图像处理单元，Graphic Processor Unit，

有的PC芯片会将CPU和GPU集成起来，在手机中将AP和BP集成在一个硅片中。

Soc-System On Chip，片上系统；将CPU和一些外围器件集成到一个硅片中。

参考

多核处理器基础SMP&AMP&BMP

SMP与AMP体系结构