一文詳解GPU結(jié)構(gòu)及工作原理

GPU全稱是GraphicProcessing Unit－－圖形處理器，其最大的作用就是進(jìn)行各種繪制計(jì)算機(jī)圖形所需的運(yùn)算，包括頂點(diǎn)設(shè)置、光影、像素操作等。GPU實(shí)際上是一組圖形函數(shù)的集合，而這些函數(shù)有硬件實(shí)現(xiàn)，只要用于3D游戲中物體移動(dòng)時(shí)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及光源處理。在很久以前，這些工作都是由CPU配合特定軟件進(jìn)行的，后來隨著圖像的復(fù)雜程度越來越高，單純由CPU進(jìn)行這項(xiàng)工作對于CPU的負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了CPU的正常性能范圍，這個(gè)時(shí)候就需要一個(gè)在圖形處理過程中擔(dān)當(dāng)重任的角色，GPU也就是從那時(shí)起正式誕生了。

從GPU的結(jié)構(gòu)示意圖上來看，一塊標(biāo)準(zhǔn)的GPU主要包括通用計(jì)算單元、控制器和寄存器，從這些模塊上來看，是不是跟和CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很像呢？

事實(shí)上兩者的確在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有許多類似之處，但是由于GPU具有高并行結(jié)構(gòu)（highly parallel structure），所以GPU在處理圖形數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法方面擁有比CPU更高的效率。上圖展示了GPU和CPU在結(jié)構(gòu)上的差異，CPU大部分面積為控制器和寄存器，與之相比，GPU擁有更多的ALU（Arithmetic Logic Unit，邏輯運(yùn)算單元）用于數(shù)據(jù)處理，而非數(shù)據(jù)高速緩存和流控制，這樣的結(jié)構(gòu)適合對密集型數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理。CPU執(zhí)行計(jì)算任務(wù)時(shí)，一個(gè)時(shí)刻只處理一個(gè)數(shù)據(jù)，不存在真正意義上的并行，而GPU具有多個(gè)處理器核，在一個(gè)時(shí)刻可以并行處理多個(gè)數(shù)據(jù)。

GPU采用流式并行計(jì)算模式，可對每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的并行計(jì)算，所謂“對數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算”，即，流內(nèi)任意元素的計(jì)算不依賴于其它同類型數(shù)據(jù)，例如，計(jì)算一個(gè)頂點(diǎn)的世界位置坐標(biāo)，不依賴于其他頂點(diǎn)的位置。而所謂“并行計(jì)算”是指“多個(gè)數(shù)據(jù)可以同時(shí)被使用，多個(gè)數(shù)據(jù)并行運(yùn)算的時(shí)間和1個(gè)數(shù)據(jù)單獨(dú)執(zhí)行的時(shí)間是一樣的”。

簡而言之，GPU的圖形（處理）流水線完成如下的工作：（并不一定是按照如下順序）

頂點(diǎn)處理：這階段GPU讀取描述3D圖形外觀的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)并根據(jù)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)確定3D圖形的形狀及位置關(guān)系，建立起3D圖形的骨架。在現(xiàn)有的GPU中，這些工作由硬件實(shí)現(xiàn)的Vertex Shader（定點(diǎn)著色器）完成。

光柵化計(jì)算：顯示器實(shí)際顯示的圖像是由像素組成的，我們需要將上面生成的圖形上的點(diǎn)和線通過一定的算法轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的像素點(diǎn)。把一個(gè)矢量圖形轉(zhuǎn)換為一系列像素點(diǎn)的過程就稱為光柵化。例如，一條數(shù)學(xué)表示的斜線段，最終被轉(zhuǎn)化成階梯狀的連續(xù)像素點(diǎn)。

紋理帖圖：頂點(diǎn)單元生成的多邊形只構(gòu)成了3D物體的輪廓，而紋理映射（texture mapping）工作完成對多變形表面的帖圖，通俗的說，就是將多邊形的表面貼上相應(yīng)的圖片，從而生成“真實(shí)”的圖形。TMU（Texture mapping unit）即是用來完成此項(xiàng)工作。

像素處理：這階段（在對每個(gè)像素進(jìn)行光柵化處理期間）GPU完成對像素的計(jì)算和處理，從而確定每個(gè)像素的最終屬性。在支持DX8和DX9規(guī)格的GPU中，這些工作由硬件實(shí)現(xiàn)的Pixel Shader（像素著色器）完成。

最終輸出：由ROP（光柵化引擎）最終完成像素的輸出，1幀渲染完畢后，被送到顯存幀緩沖區(qū)。

GPU的工作通俗的來說就是完成3D圖形的生成，將圖形映射到相應(yīng)的像素點(diǎn)上，對每個(gè)像素進(jìn)行計(jì)算確定最終顏色并完成輸出。

不過需要注意的是，無論多牛的游戲家用顯卡，光影都是CPU計(jì)算的，GPU只有2個(gè)工作，1多邊形生成。2為多邊形上顏色。

實(shí)際應(yīng)用中圖像的生成流程大致如下：

首先從硬盤中讀取模型， CPU分類后將多邊形信息交給GPU，GPU再時(shí)時(shí)處理成屏幕上可見的多邊形，但是沒有紋理只有線框。CPU計(jì)算出模型后，GPU將模型數(shù)據(jù)放進(jìn)顯存，顯卡同時(shí)也為模型貼材質(zhì)，給模型上顏色。CPU相應(yīng)從顯存中獲取多邊形的信息。然后CPU計(jì)算光照后產(chǎn)生的影子的輪廓。等CPU計(jì)算出后，顯卡的工作又有了，那就是為影子中填充深的顏色。周而復(fù)始，完成CPU與GPU之間的數(shù)據(jù)交換。