在上一篇文章中，我對計算機虛擬化的基本概念及MIPS架構如何有效地實現硬件虛擬化進行了闡述。本文將主要探討多線程，并嘗試對其內涵及用途進行定義。

線程是一序列的指令。多線程是指給定處理器（如CPU、GPU等）能運行多個線程。至于是什么構成了線程或子例程則沒有過多界定，通常將線程看作任務或工作。

一個程序可以生成一個或多個線程。在當下的計算情境中，線程會爭奪硬件資源。但如果是資源受限的環境則當如何呢？如果多核處理器運行了兩個線程，則第一反應將是在每個內核上對線程進行平均分配。

但這似乎是一個“蠻力”的方法。是否有更佳的方式？答案是肯定的。這里就得提另一個問題了：多核處理器是否也是硬件多線程？

用于支持多線程的硬件技術通常與多核處理器上用于多任務計算機程序的軟件機制相混淆。但二者有一個很明顯的區別。下圖闡述了硬件多線程和軟件多線程之間的差別：

硬件多線程大幅度提升了管線的效率

從這里開始，對于MIPS架構通過MT擴展（MT ASE）和MIPS MT模塊支持的硬件多線程，都使用術語“多線程”來表示。

嵌入式處理器強調性能。在過去的十年中，SoC設計師們越來越青睞多核來保證性能的可延展性。這場拉力賽將指引我們何去何從？主流的智能手機處理器已經從2012年時的1 GHz雙核配置發展為2015年時的2.5GHz十核配置——相當于三年時間內CPU數量增長5倍。同時在這段時間里，處理技術也不斷完善，處理器規格大幅減小，已從2012年的40 nm 變成如今的28 nm或14 nm。不過，似乎28 nm是主流處理器的主打規格，而16 nm或更小尺寸則主要用于高端計算市場。

這意味著CPU設計師需要找到其他解決方案來提高性能，同時又保持總體規格不斷縮小。

內核數量自動翻倍意味著面積也翻倍，但性能卻不一定也隨之翻倍。事實上，基準測試數據表明，相比四核或八核CPU，雙核CPU反而可以獲得更佳的性能。

進一步提高CPU集群的頻率是一種選擇，但隨之而來的是功耗管理。微架構改進（如綁定加載/存儲指令、無序執行等）將帶來實實在在的優勢，但高端設計也可能會限制嵌入式市場應用程序的發展。同時還有執行效率的問題：一個單線程的CPU在閑置狀態時可能會花大量時間等待內存中的數據。

多線程卻巧妙地解決了上述問題。例如，選擇雙線程單核CPU可以即時提高30%~50%的性能，并且面積增加量非常微小。此外，激活線程是一個即時的過程，不需要消耗額外的功率（按邏輯講，多核系統通常需要進行額外功率管理）。

MIPS多線程使LTE應用程序的性能提高了50%

多線程適用于嵌入式SoC的另一個理由是：可靠的實時操作。系統架構師可以動態地將線程分配至有需求的I / O服務中。例如，線程嘗試從I / O系統讀取數值、進入閑置狀態，并于數據準備就緒時再進行激活。這樣就減少了服務中斷引起的開銷。

使用多線程另一個重要的原因是，在緩存缺失及出現其他可能使線程停止的事件時，為每個CPU周期充分利用執行管道資源。

最后，多線程旨在為并行應用程序如網頁瀏覽等提供強大的整體吞吐量。

總結以上信息得出的最直接的結論是，多線程適用于各種場景中。但MIPS CPU如何實現多線程？

MIPS I6400是Imagination最新發布的實現了硬件多線程的CPU

可以通過現代操作系統的速成課來了解多線程。當線程沒有運行時，程序計數器（PC）需要存儲線程接下來啟動時的地址。此外，CPU必須跟蹤所有程序員可見的寄存器中保存的值；而對于在用戶模式下在MIPS CPU上運行的程序，則意味著必須跟蹤通用寄存器（GPR）和乘法累加器 （MAC）。CPU為每個運行的線程存儲了一個標識符，以及指示內核權限的標志（如：執行系統調用）。

在維護多個地址空間的多線程MIPS CPU上運行的操作系統需要地址空間標示符（ASID）值，因為在翻譯地址時硬件需要使用。

因此， MIPS CPU內的每個線程將包含一個PC和GPR副本，一個獨特的線程ID，內核模式及ASID值。這些值構成了線程的內容。

MIPS CPU一直支持硬件多線程

目前比較通用的操作系統可以檢測和使用多線程硬件，包括SMP Linux、Android或Windows。Imagination與其生態系統伙伴密切合作，確保所有支持MIPS的操作系統可以充分利用硬件多線程技術。例如，Express Logic的ThreadX在用于I級CPU的MIPS MT擴展頂端優化了上下文切換。

所以，不管是運行SMP基于Linux的分布如Android或實時操作系統如ThreadX，如果其支持MIPS便可以支持多線程。