ARMv8-A编程指导之多核处理器（1）
ARMv8-A提供了⽀持包含多个处理器的级别的系统。⼀个ARM多核处理器如Cortex-A57MPCore和Cortex-A53MPCore可以包含⼀个到四个core。使⽤Cortex-A57和Cortex-A53处理器通常都是以这种⽅式实现。⼀个多核处理器可能包含有独⽴执⾏指令的能⼒的多个core，这被认为单个unit或cluster。当不使⽤节省功耗时，ARM多核技术使能⼀个cluster中的四个core都关闭，⽐如当设备负载较轻时或在standby模式时。当要求⾼性能时，每个处理器⽤来满⾜要求，但仍共享⼯作负载来保持功耗尽可能少。
嵌入式多线程编程多处理器可以被定义⽤来包含多个core的单个设备中同时运⾏⼆个或多个指令。现在⼴泛应⽤于通⽤应⽤处理器和嵌⼊式系统中。
系统的整个功耗可以明显低于单处理器系统。多核可能使执⾏完成更快，因此系统的⼀些core可能在更长的周期内完全下电。相反，多核系统可能运⾏⽐单核系统运⾏更低的频率来完成相同的吞吐量。更低功耗处理器或更低的供给电压会导致更低的功耗和减少能量的使⽤。⼤多数系统不允许核的频率单独在修改。但是，每个核可以有动态的时钟门控，⽤于功耗的节省。
多核也让系统配置有更多选择。⽐如，你可能使⽤多个独⽴的核，⼀个⽤于处理硬实时要求，其他⽤于要求⾼性能的应⽤。这可以被合并到⼀个多核系统中。
多核设备也更可能⽐单核设备反应快。当中断被分发到多个核时，多个核可以响应这个中断，每个核上服务的中断更少。多核也使后台进程能够同时与重要但不相关的前台进程同时执⾏。
1 多处理器系统
我们可以将系统分为：
1. 包含单核的单处理器；
2. 多核处理器，如Cortex-A53，有能⼒单独执⾏指令的多核，可以被视为单个unit或cluster，系统设计者或操作系统可以将来⾃应⽤
层的资源进⾏抽象；
3. 多cluster，每个cluster包含多个corel。
本⽂中描述的多处理器系统遵循此定义。其它的操作系统中可能有不同的含义。
1.1 决定代码执⾏在哪个核上
⼀些软件操作依赖于代码运⾏的core。⽐如，全局初始化通常由执⾏在单个core的代码发起，然后在
所有core上进⾏本地的初始化。
多核亲和寄存器MPIDR_EL1使能软件决定软件运⾏在哪个core上，⽆论是在⼀个cluster还是有多个cluster的系统，它决定哪个core以及哪个cluster上执⾏。
在⼀些处理器配置的U位指⽰它是否是单核或多core的cluster。亲和域给出了本core与其它core相关的层次描述。通常，affinity0为cluster中在core ID, affinity1为cluster ID。
NOTE: 运⾏在EL1的软件可以运⾏在hypervisor管理的虚拟机中。为了配置虚拟机，EL2和EL3可以在runtime时设置MPIDR_EL1为不同值。因此⼀个特定的虚拟机可以看到⼀个连续的，每个虚拟core有唯⼀值。虚拟core和物理core在关系由hypervisor控制，随着时间也可能改变。
MIPDR_EL3包含每个物理core的不修改值ID。两个core不能共享相同的MPIDR_EL3的值。
1.2 对称多处理器
SMP是动态决定单个core的⾓⾊的软件架构。cluster中的每个core对内存和共享的硬件有相同视⾓。任何应⽤，进程，或任务可以运⾏在任何core上，OS调度器可以动态的将任务在core之间进⾏迁移来完成优化系统负载。多线程的应⽤可以⼀次运⾏在多个core上。OS可以隐藏应⽤的复杂性。
在本指导中，在操作系统下的应⽤的每个运⾏实例称为process。应⽤可以通过调⽤到系统库来发出很多操作，这些系统库提供库代码中的某些函数，同时也作为内核操作的系统调⽤的封装。单个process有相关的资源，包括栈，堆和常量数据区，以及属性如调度优先级设置。进程的内核视图成为task。进程是task的集合，它们共享某些公共的资源。其他操作系统可能有不同的定义。
当描述SMP操作时，我们使⽤术语kernel来表⽰操作系统的⼀部分，它包含异常处理，设备驱动，以及其他资源和进程管理代码。我们也假定任务调度器的存在，任务调度器通常称为使⽤定时器中断。调度器负责在核上多个任务之间的时间⽚，动态决定单个任务的优先级，决定下⼀步运⾏哪个任务。
线程为执⾏在相同进程空间的单独任务，该地址空间使应⽤的多个分开部分可以并⾏在不同核上执⾏。他们也允许应⽤的⼀部分在执⾏，⽽另⼀部分正在等待资源。
通常，进程中所有的线程共享多个全局资源（包括相同的内存映射，可以访问任何打开的⽂件和资源处理）。线程也有它们⾃⼰的本地资源，包括它们⾃⼰的栈和寄存器，它们⽤于内核的上下⽂的保存和恢复。但是，这些资源是本地的，并不意味着任何线程的本地资源可以保证不被其他线程的不正确访问。线程单独调度，即使在单个进程中，他们也可能有不同的优先级。
具有SMP能⼒的OS提供了有效的核资源抽象给应⽤。多个应⽤啊可以同时执⾏在SMP系统中，⽽不需要重新编写或修改代码。⼀个传统的多任务OS使系统可以在同⼀时间运⾏多个任务和活动，在单个
core或多个core上。在多核系统中，我们可以真正并发，多个任务通常同时执⾏，并发在多个核上。这些跨core分发和管理的⾓⾊由OS执⾏。
通常，OS任务调度器可以在系统中跨core分发任务。这个特征成为负载均衡，⽬的是为了获取更好的性能，或节省功耗。⽐如，在某种负载下，如果实现该负载的任务仅调度在⼏个core上，可以完成节省功耗。这将允许多个资源在长时间内空闲，因此节省了功耗。
在其他的场景，如果任务扩展更多的core，负载的性能会增加。这些任务将执⾏更快，⽽不需要被其他任务打扰。
另外其他的场景，可能将任务执⾏在低的频率的多核上⽐执⾏在更⾼的频率上的更少的核上更合适。这些操作是在节省功耗和性能之间得到平衡。
SMP系统的调度器可以动态的为任务提供优先级。动态的任务优先级可以在当前任务睡眠时使其他任务可以执⾏。在LINUX，⽐如，性能受处理器活动限制的任务可以降低其优先级，以⽀持性能受IO活动限制的任务。IO限制的任务会中断计算限制的进程，因此它会发出IO 操作然后重新休眠，处理器在IO完成后执⾏计算限制的代码。
中端处理可以跨核进⾏负载均衡。这可以帮助改善性能或节省功耗。在core间均衡负载或保留core给某些特定的中断，可以减少中断时延。这也会导致在不使⽤cache的场景优化性能。
使⽤更少的core来处理中断可以导致在长时间内更多资源空闲，导致以减少性能为代价节省功耗。Linux内核不⽀持⾃动中断负载均衡。但是，内核提供了机制来改变对某些core的中断绑定。也有⼀些开源项⽬如irqbalance，可以使⽤这些机制来将中断重新安排到这些core上。irqbalance能够意识到系统的属性如共享cache层次（哪些核有共同的cache）和电源域的布局（那些core可以单独下电）。它可以决定最好的中断与core的绑定。
SMP系统会在cluster中的core中共享内存。为维护应⽤软件的要求的抽象级别，硬件必须提供持续和⼀致的内存视⾓。
内存的共享区域的修改必须对所有的core可见⽽不需要任何显式的软件⼀致性管理，虽然同步指令⽐如barrier被要求保证更新以正确的顺序看到。类似的，内存映射的任何更新，⽐如因为页请求，新内存的分配，映射⼀个设备到当前虚拟地址空间，必须⼀致的呈现给所有core。

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