Вопрос или проблема
В многоядерном процессоре, как распределяются инструкции по ядрам ЦП? То есть, на каком основании программа назначается или выполняется конкретным ядром, кто принимает это решение и как оно назначается?
Может ли пользователь или администратор указать системе запускать конкретную программу на конкретном ядре?
Как это можно сделать?
Как эти ядра координируются?
Даже если ОС управляет планированием, как ОС указывает выполнять программу на конкретном ядре? Как это выглядит при переводе на код на C или ассемблере?
Очень приблизительный ответ:
В многоядерном процессоре, как распределяются инструкции по ядрам ЦП? То есть, на каком основании программа назначается или выполняется конкретным ядром, кто принимает это решение и как оно назначается?
Как правило, это решает ядро ОС – конкретно ее планировщик – для каждого процесса или потока, в зависимости от различных факторов, таких как текущая загрузка каждого ядра, энергопотребление каждого ядра (теперь, когда существуют смешанные ядра E/P), возможно и другие.
Помните, что симметричная мультипроцессорность существовала еще до появления многоядерных процессоров – вы могли получить ПК с двумя сокетами ЦП даже в эпоху Pentium – и все еще существует на некоторых серверных платформах. Поэтому вы найдете много статей, говорящих о многопроцессорности в терминах отдельных “ЦП”, а не ядер.
Может ли пользователь или администратор указать системе запускать конкретную программу на конкретном ядре?
Зависит от ОС; у многих есть настройка процесса «привязки к ЦП». В Linux можно использовать taskset (или более расширенный numactl).
Для Windows откройте Диспетчер задач (Win2000 или более поздняя версия), перейдите в “Подробности” и щелкните правой кнопкой мыши процесс, чтобы найти опцию “Установить привязку”. Команда start /affinity в Cmd или эквивалент PowerShell может быть использована для запуска программы с установленной привязкой.
как ОС указывает выполнять программу на конкретном ядре?
Как упомянуто ранее, я думаю, что лучше рассматривать это с обратной стороны: ОС указывает, что будет выполнять каждое ядро ЦП.
То есть, когда ЦП возвращается из выполнения программы в выполнение ядра ОС – либо по прерыванию в ОС с “проактивной многозадачностью”, либо добровольно в ОС с “кооперативной многозадачностью” типа Win3.11 – ядро сначала сохраняет состояние ЦП, соответствующее предыдущему процессу, в ОЗУ (включая такие вещи, как его «указатель инструкции» и т.д.); затем ищет допустимый процесс; затем восстанавливает регистры ЦП для этого процесса и указывает ЦП перейти к конкретному месту в памяти, после чего ЦП продолжает выполнять код, относящийся к этому процессу.
Как это выглядит при переводе на код на C или ассемблере?
См. например соответствующие части ядра Linux:
Исчерпывающий ответ на ваши вопросы легко заполнил бы книгу, поэтому давайте попробуем дать прямые ответы.
В многоядерном процессоре, как распределяются инструкции по ядрам ЦП?
Бинарный код организован в процессы и иногда потоки (в зависимости от ОС). Планировщик ОС организует выполнение этих процессов/потоков на доступных ядрах ЦП.
То есть, на каком основании программа назначается или выполняется конкретным ядром, кто принимает это решение и как оно назначается?
В значительной степени зависит от ОС, планировщик может распределять нагрузку на основе наименее загруженного ядра, приоритета процесса/потока, привязки ядра или чего-то другого.
Может ли пользователь или администратор указать системе запускать конкретную программу на конкретном ядре?
Да, это называется привязка.
Как это можно сделать?
В зависимости от ОС и ее API процесс может самостоятельно установить свою привязку ядра или (возможно, привилегированный) пользователь может использовать инструменты для установки привязки данного процесса.
Как эти ядра координируются?
Это на усмотрение ОС и планировщика.
Даже если ОС управляет планированием, как ОС указывает выполнять программу на конкретном ядре?
В принципе, планировщик напрямую или косвенно устанавливает указатель инструкции для процесса/потока и позволяет ядру выполнять его.
Как это выглядит при переводе на код на C или ассемблере?
Планирование выполняется на уровне машины. Любой код сначала должен быть переведен в машинный код.
Ответ или решение
В современных многоядерных процессорах распределение инструкций по ядрам является важным процессом, определяющим производительность и эффективность вычислительных устройств. Рассмотрим, как происходит назначение инструкций процессору, кто отвечает за этот процесс, и может ли пользователь управлять распределением задач.
Как назначения инструкций к ядрам процессора?
Распределение инструкций по ядрам осуществляется операционной системой (ОС), а именно ее компонентом, известным как планировщик (или диспетчер) задач. Планировщик анализирует текущую загрузку каждого ядра, приоритеты задач, возможные требования к мощности и другие факторы. Цель — оптимально распределить задачи для обеспечения высокой производительности системы.
На каком основании программы назначаются к определённым ядрам?
Основные критерии, которые ОС учитывает при распределении задач, включают:
- Текущая загрузка ядер: ядра, которые менее загружены, часто получают больше задач.
- Приоритет задач: задачи с более высоким приоритетом могут быть автоматически назначены на более производительные или менее загруженные ядра.
- Аффинность процессора: возможность удерживать выполнение задачи на конкретном ядре для уменьшения накладных затрат на переключение контекста.
Возможность управления пользователем
Пользователь или администратор имеет возможность задать аффинность, то есть определить, на каких ядрах будет выполняться конкретная задача. Доступ к такой настройке предоставляется через инструменты ОС:
- Linux: используйте команды
tasksetилиnumactlдля задания аффинности. - Windows: функция "Set affinity" доступна через Диспетчер задач, а также через команду
start /affinityв командной строке или PowerShell.
Координация между ядрами
Ядра координируются под управлением ОС. Этот процесс включает в себя анализ и перераспределение задач в реальном времени в зависимости от состояния системы.
Как операционная система устанавливает программу на конкретное ядро?
При выполнении задачи на конкретном ядре операционная система сохраняет состояние текущего процесса, включая указатель инструкций, и загружает состояние нового процесса. Это мультимасштабное управление задачами обеспечивается через несколько уровней программирования и включает как программы высокого уровня на языках C, так и низкоуровневые операции на языке ассемблера.
Пример кода
Фрагменты кода, отвечающие за переключение контекста в ядре Linux, являются примером механизмов управления заданиями на уровне кода. Эти фрагменты показывают, как системы управляют состоянием процессора и распределением задач.
Внедрение описанных механизмов планирования задач обеспечивает эффективное использование вычислительных ресурсов, позволяет пользователям настраивать систему согласно своим нуждам и способствует общей производительности вычислительного устройства.