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CPU生產商為了提高CPU的性能,通常做法是提高CPU的時鐘頻率和增加緩存容量。不過目前CPU的頻率越來越快,如果再通過提升CPU頻率和增加緩存的方法來提高性能,往往會受到製造工藝上的限制以及成本過高的制約。於是出現了超線程技術。

超線程技術超線程技術
CPU生產商為了提高CPU的性能,通常做法是提高CPU的時鐘頻率和增加緩存容量。不過目前CPU的頻率越來越快,如果再通過提升CPU頻率和增加緩存的方法來提高性能,往往會受到製造工藝上的限制以及成本過高的制約。於是出現了超線程技術。

1 超線程技術 -概述

Intel正式發布了「Hyper-Threading Technology(超線程技術)」這項技術將率先在XERON處理器上得到應用。通過使用該技術,Intel將提供世界上首枚集成了雙邏輯處理器單元的物理處理器(其實就是在一個處理器上整合了兩個邏輯處理器單元),據說能夠提高40%的處理器性能,類似的技術似乎也將出現在AMDK8-Hammer處理器上。

何為Hyper-Threading:

當今的處理器發展普遍向著提高處理器指令平鋪速率的方向邁進,但由於所使用的處理器資源會有衝突,因此性能提升的效果並不理想。而通過Hyper-Threading技術,通過在一枚處理器上整合兩個邏輯處理器(註:是處理器而不是運算單元)單元,使得具有這種技術的新型CPU具有能同時執行多個線程的能力,而這是現有其它微處理器都不能做到的。

超線程技術超線程技術

簡單的說,Hyper Threading是一種同步多執行緒(SMT,simultaneous Multi-threading)技術,它的原理很簡單,就是把一顆CPU當成兩顆來用,將一顆具Hyper-Threading功能的「實體」處理器變成兩個「邏輯」處理器而邏輯處理器對於操作系統來說跟實體處理器並沒什麼兩樣,因此操作系統會把工作線程分派給這「兩顆」處理器去執行,讓多種應用程序或單一應用程序的多個執行緒(thread),能夠同時在同一顆處理器上執行;不過兩個邏輯處理器是共享這顆CPU的所有執行資源。

2 超線程技術 -技術簡介

Hyper-Threading做法是複製一顆處理器的架構指揮中心(architectural state)變成兩個,使得Windows操作系統認為是在與兩顆處理器溝通,但這兩個架構指揮中心共享該處理器的工作資源(execution resources)。架構指揮中心追蹤每個程序或執行緒的執行狀況;工作資源指的則是「處理器用來進行加、乘、載入等工作的單元(execution unit)」。如此一來,操作系統把工作線程安排好以後,就分派給這兩個邏輯上的處理器執行,而這顆CPU的每個執行單元等於在同樣的時間內要服務兩個「指令處理中心」,當然它的效率就高多了,操作系統就把一顆實體的處理器認定為兩個邏輯處理器作工作指派,當然整體工作效能就比沒有具備Hyper-Threading 的處理器高出許多,性價比自然高出許多。

超線程技術實現的必要條件

除了硬體支持之外,我們必須注意到,超線程技術的實現還需要軟體的支持才能夠發揮出應有的威力。首先是操作系統的支持,我們必須使用支持雙處理器的操作系統,如Win2000等才能完全發揮出超線程技術的性能。至於軟體方面,目前很多專業的應用程序對於雙處理器都提供了支持,如著名的圖形處理軟體3Dmax、Maya等。

此外,很多用戶可能會有疑問,既然超線程技術以前專門針對伺服器處理器,那麼現有的眾多軟體,能否完全兼容支持超線程技術的處理器,是否還需要什麼修改才能運行呢?其實這個我們大可不必擔心,現有的IA32軟體不需進行任何的修改,就可以在支持超線程的P4處理器上很好的運行了。

超線程=效能提升?

一般很多人都會認為,採用超線程技術,就能使得系統效能大幅提升,但是事實真是如此么?不要忘了我們前面說到的超線程技術實現的必要條件,這可是超線程技術發揮應有效能的前提條件。除了操作系統支持之外,還必須要軟體的支持。從這點我們就可以看出,就目前的軟體現狀來說,支持雙處理器技術的軟體畢竟還在少數。對於大多數軟體來說,目前由於設計的原理不同,還並不能從超線程技術上得到直接的好處。因為超線程技術是在線程級別上并行處理命令,按線程動態分配處理器等資源。該技術的核心理念是「并行度(Parallelism)」,也就是提高命令執行的并行度、提高每個時鐘的效率。這就需要軟體在設計上線程化,提高并行處理的能力。而目前PC上的應用程序幾乎沒有為此作出相應的優化,採用超線程技術並沒不能獲得效能的大幅提升。

上面說的只是目前軟體支持的現狀,操作系統在這個方面則沒有太大的問題,畢竟Windows的某些版本、Linux都是支持多處理器的操作系統。並且隨著Intel支持超線程技術的處理器面世之後,憑藉Intel處理器的號召力,必然會引起目前應用程序設計上的改變,必然會有更多的支持并行線程處理的軟體面世,屆時,當然是支持超線程處理器大顯身手的時候了。那時候,普通用戶才能夠從超線程技術中得到最直接的好處。

超線程技術超線程技術

儘管提高CPU的時鐘頻率和增加緩存容量后的確可以改善性能,但這樣的CPU性能提高在技術上存在較大的難度。實際上在應用中基於很多原因,CPU的執行單元都沒有被充分使用。如果CPU不能正常讀取數據(匯流排/內存的瓶頸),其執行單元利用率會明顯下降。另外就是目前大多數執行線程缺乏ILP(Instruction-Level Parallelism,多種指令同時執行)支持。這些都造成了目前CPU的性能沒有得到全部的發揮。因此,Intel則採用另一個思路去提高CPU的性能,讓CPU可以同時執行多重線程,就能夠讓CPU發揮更大效率,即所謂「超線程(Hyper-Threading,簡稱「HT」)」技術。超線程技術就是利用特殊的硬體指令,把兩個邏輯內核模擬成兩個物理晶元,讓單個處理器都能使用線程級并行計算,進而兼容多線程操作系統和軟體,減少了CPU的閑置時間,提高的CPU的運行效率。

採用超線程及時可在同一時間裡,應用程序可以使用晶元的不同部分。雖然單線程晶元每秒鐘能夠處理成千上萬條指令,但是在任一時刻只能夠對一條指令進行操作。而超線程技術可以使晶元同時進行多線程處理,使晶元性能得到提升。

超線程技術是在一顆CPU同時執行多個程序而共同分享一顆CPU內的資源,理論上要像兩顆CPU一樣在同一時間執行兩個線程,P4處理器需要多加入一個Logical CPU Pointer(邏輯處理單元)。因此新一代的P4 HT的die的面積比以往的P4增大了5%。而其餘部分如ALU(整數運算單元)、FPU(浮點運算單元)、L2 Cache(二級緩存)則保持不變,這些部分是被分享的。

雖然採用超線程技術能同時執行兩個線程,但它並不象兩個真正的CPU那樣,每個CPU都具有獨立的資源。當兩個線程都同時需要某一個資源時,其中一個要暫時停止,並讓出資源,直到這些資源閑置后才能繼續。因此超線程的性能並不等於兩顆CPU的性能。

超線程技術超線程技術

英特爾P4 超線程有兩個運行模式,Single Task Mode(單任務模式)及Multi Task Mode(多任務模式),當程序不支持Multi-Processing(多處理器作業)時,系統會停止其中一個邏輯CPU的運行,把資源集中於單個邏輯CPU中,讓單線程程序不會因其中一個邏輯CPU閑置而減低性能,但由於被停止運行的邏輯CPU還是會等待工作,佔用一定的資源,因此Hyper-Threading CPU運行Single Task Mode程序模式時,有可能達不到不帶超線程功能的CPU性能,但性能差距不會太大。也就是說,當運行單線程運用軟體時,超線程技術甚至會降低系統性能,尤其在多線程操作系統運行單線程軟體時容易出現此問題。

需要注意的是,含有超線程技術的CPU需要晶元組、軟體支持,才能比較理想的發揮該項技術的優勢。操作系統如:Microsoft Windows XP、Microsoft Windows 2003,Linux kernel 2.4.x以後的版本也支持超線程技術。目前支持超線程技術的晶元組包括如:

Intel晶元組:
845、845D和845GL是不支持支持超線程技術的;845E晶元組自身是支持超線程技術的,但許多主板都需要升級BIOS才能支持;在845E之後推出的所有晶元組都支持支持超線程技術,例如845PE/GE/GV以及所有的865/875系列以及915/925系列晶元組都支持超線程技術。

VIA晶元組:
P4X266、P4X266A、P4M266、P4X266E和P4X333是不支持支持超線程技術的,在P4X400之後推出的所有晶元組都支持支持超線程技術,例如P4X400、P4X533、PT800、PT880、PM800和PM880都支持超線程技術。

SIS晶元組:
SIS645、SIS645DX、SIS650、SIS651和早期SIS648是不支持支持超線程技術的;後期的SIS648、SIS655、SIS648FX、SIS661FX、SIS655FX、SIS655TX、SIS649和SIS656則都支持超線程技術。

ULI晶元組:
M1683和M1685都支持超線程技術。

ATI晶元組:
ATI在Intel平台所推出的所有晶元組都支持超線程技術,包括Radeon 9100 IGP、Radeon 9100 Pro IGP和RX330。

nVidia晶元組:
即將推出的nForce5系列晶元組都支持超線程技術。

3 超線程技術 -優缺點

超線程技術超線程技術
HT技術優點:

.超線程技術的優勢在於同時進行多任務批處理工作,儘管現在支持超線程技術的軟體不多,也只有少數的軟體可以享受到由超線程技術帶來的性能提升,但是這符合今後軟體等技術的發展方向,今後更多的軟體將受益於超線程技術。

2.從目前來看,部分客戶發可以發覺在運行某些特定軟體時,超線程技術讓系統有了30%的性能提升,為超線程技術優化的軟體都能夠享受到超線程技術的好處。

3.客戶同時運行兩個以上的軟體軟體時候,將可以明顯的感受到這兩個軟體的性能都得到提升相比關閉超線程技術的情況下都有很大的提升,超線程技術的效率優勢只有在多任務操作時候才能得到發揮。

4.另外目前支持超線程技術的Windows XP操作系統,其中的很多系統軟體都已經針對超線程技術優化過,因此在使用Windows操作系統的時候可以很好的享受到超線程技術帶來好處。

HT技術缺點:

1.因為超線程技術是對多任務處理有優勢,因此當運行單線程運用軟體時,超線程技術將會降低系統性能,尤其在多線程操作系統運行單線程軟體時將容易出現此問題(這也是在WindowsXP中運行顯卡的測試軟體時候,得分下降了一點)。

2.在打開超線程支持后,如果處理器以雙處理器模式工作,那麼處理器內部緩存就會被劃分成幾區域,互相共享內部資源。對於不支持多處理器工作的軟體在雙處理器上運行時出錯的概率要比單處理器上高很多。

3.目前因為很多工作戰軟體為Windows 2000操作系統進行過優化,但是採用Windows2000這樣的操作系統的工作戰無法完全利用超線程技術的優勢,也帶來不了高的工作效率。

通過上面的解答,我們應該知道了超線程技術的確實對系統性能提升有好處,但是這僅對多任務處理的時候有優勢,在進行單各任務處理的時候,優勢表現不出來,而且因為打開超線程,處理器內部緩存就會被劃分成幾區域,互相共享內部資源,造成單個的子系統性能下降。個人認為,用戶在進行單任務操作時候,沒有必要打開超線程,只有多任務操作時候可以適時打開超線程,享受超線程技術帶來的好處。

4 超線程技術 -免費升級超線程

超線程(HT)是Intel新款P4處理器才具有的一項功能,這項技術能顯著提高計算機在多任務并行時的處理能力。但大多數人所使用的CPU並不具備這個功能,並且近期沒有升級硬體的打算。

最近筆者試用了一款叫做Process Tamer,它能實現超線程技術類似的功能,即根據程序運行情況自動分配CPU時間。那麼,這款軟體究竟可以解決哪些問題呢?看看下面的典型例子:

①使用QQ/MSN同時多人視頻時,系統進行其他操作變得異常遲緩。

②打開包含較多圖片、Flash、視頻的網頁時,IE界面無法自動刷新,其他程序也陷入假死。

Process Tamer 小檔案

軟體版本:2.00.15 軟體大小:1.3MB

軟體性質:免費軟體 運行環境:Windows 2000/XP

下載地址:http://www.newhua.com/cfan/200517/protm2015.exe  

下載安裝這個軟體后,屏幕右下角的系統托盤中就出現了一個天平的圖標,這樣Process Tamer就會自動平衡各個進程對CPU的資源佔用,提高多任務間切換的速度。

由於Process Tamer的自動調整機制可能造成一些問題,比如在CPU佔用率高時自動降低正在進行記錄操作的Nero進程優先順序,有可能把盤刻「飛」,所以還需要手動更改一些設置。

第一步:右擊系統托盤中的Process Tamer圖標,選擇「Configure」(設置),打開配置面板。

第二步:在彈出窗口中切換到「Processes」(進程)標籤,在其下方的列表中就顯示了當前已經運行的進程(CPU佔用低於1%的默認不顯示),找到需要更改的進程,本例中我們選擇nero.exe,在其「Explicit Rule」(顯式規則)列的下拉列表中選擇「Ignore」(忽略),點擊「確定」(見圖)。

超線程技術超線程技術
 

 

 

 

 


  

  

小提示

在配置界面中去除「Hide<1%CPU」(隱藏CPU佔用<1%的進程)的勾選就能顯示所有進程。  

原理與誤區

很多文章都把這個軟體神話了(包括有些大媒體的文章),其實它的作用只能說是用軟體方式改善多任務的使用狀況,與真正的基於硬體的超線程技術是有區別的。而有的文章卻說「極力推薦各位賽揚D處理器用戶們使用這個軟體」,這就有點「偽科學」的嫌疑了。

Process Tamer實現多任務速度優化的原理是:在系統出現CPU高負載運行時,降低佔用CPU時間最多的進程的優先順序,提高那些被別的進程搶佔CPU時間而導致響應遲滯的進程的優先順序,這樣就能降低系統出現假死的概率。經過測試發現,在運行Process Tamer時,系統並沒有啟動新的服務,所以判斷該程序是運行在應用程序層,而非系統服務層的,也就是說,該軟體自身的優先順序切換功能也受到系統速度的影響。

5 超線程技術 -參考資料

http://publish.it168.com/cword/962.shtml
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