计算机体系结构 28：SMT 与共享资源

核心问题

单线程因为依赖或 cache miss 暂时不能发射时，执行槽会空着。细粒度多线程可以每周期换一个线程，减少整段空闲；同时多线程（SMT）还能在同一周期从多个线程挑选指令填充多个槽。它提高的是共享资源利用率，不会自动增加执行单元、cache 容量或互联带宽。

本篇用宽度为 2 的有限发射模型区分三种调度。当前主机没有硬件 SMT、逻辑兄弟线程或 PMU 证据。

附件：逐拍轨迹和调度源码。

范围与证据等级

模型先给两个线程各一条包含 wait 的短指令流：单线程模式只运行 A，细粒度模式每拍只选一个线程，SMT 模式同拍可选 A、B。另有一组 load → alu → alu 的就绪等待实验，宽度仍为 2，但只有一个 load 端口。

证据等级是教学时序模型。它没有 ROB、cache、分支预测、物理寄存器、真实 NoC、线程优先级或公平性策略，因此只能解释“空槽怎样被另一线程利用”。

核心案例：发射宽度不等于可用吞吐

两个槽在某拍都空闲，不代表单线程一定能填满。若线程 A 的下一条指令等待前序结果，它不能凭空提供第二条就绪指令。线程 B 若有独立工作，SMT 调度器可以用 B 填其中一个槽。

逐周期发射轨迹得到：只运行 A 需要 4 拍；每拍只选一个线程、轮流选择 A/B 的细粒度交错需要 8 拍；允许同拍选择两个线程的 SMT 式发射需要 4 拍。这里的 wait 是占一个发射槽的标记指令，不模拟长延迟或暂停；没有延迟时，不应拿 5 拍的静态表代替调度结果。

第二组中，load 在第 1 拍发射后，该线程下一条指令最早第 4 拍就绪。A、B 单独运行各需 5 拍，顺序运行共 10 拍。一起运行时第 1 拍只有 A 的 load 占据唯一端口，B 虽已就绪仍因端口占用停顿；B 的 load 第 2 拍发射，第 3 拍两线程都在等结果；第 5 拍 A、B 的 alu 同拍发射。两线程合计 6 拍完成，比顺序运行少 4 拍，但 B 的最后一条比独自运行晚一拍。轨迹逐拍列出就绪集合、占用的端口、发射指令与停顿原因。

共享资源能限制填槽收益。这组端口争用还没有 cache 替换、互联排队、线程公平策略，更不能据此推断当前宿主的 SMT 加速比例。

片上互联怎样进入同一问题

核心数增加后，请求要经过 ring、mesh 或其他互联到达共享 cache、目录或内存控制器。路由跳数、链路容量和热点决定排队。SMT 在核心内部填发射槽，NoC 在核心之间搬运请求；两者共享“有限资源上的多来源竞争”这一结构，但模型参数不能混用。

模式：先写资源预算，再谈并发收益

把每拍槽位、每级队列、每条链路容量写出来，再问哪些请求能并行。这个方法可迁移到 GPU warp、DMA 队列和存储系统。没有资源预算的“增加并发”只是负载变化，不是性能解释。

验收结果

从仓库根目录运行 python3 examples/computer-architecture/run_batch.py 26-28，输出既保留 4/8/4 拍的简化标记案例，也记录独立的 5+5→6 拍就绪等待和端口争用案例；每拍停顿与占用均可检查，异常周期数导致非零退出。

有限模型展示跨线程填空槽如何隐藏部分等待，同时显示 B 因端口争用晚完成；简化的 wait 标记案例本身不模拟延迟。这里没有真机 SMT、逻辑兄弟线程或吞吐与干扰的 PMU 数据。

练习

若两个线程都只产生访存指令，而处理器每拍只有一个 load/store 端口，发射宽度为 2 是否还能让两条同时执行？

把模型改成线程 B 永远有就绪指令。若调度器总优先 B，需要增加什么规则才能讨论 A 的前进性？

模式速查

现象	首先核对	仍需的真机证据
空槽减少	每拍就绪集合与发射宽度	端口利用率、IPC
两线程互相拖慢	cache、队列、端口、带宽	sibling 拓扑与 PMU
核数增加后拥塞	路由与共享出口	NoC/uncore 计数