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行各種繪制計算機圖形所需的運算，包括頂點設置、光影、像素操作等。GPU實際上是一組圖形函數(shù)的集合，而這些函數(shù)有硬件實現(xiàn)，只要用于3D游戲中物體移動時的坐標轉(zhuǎn)換及光源處理。在很久以前，這些工作都是由CPU配合特定軟件進行的，后來隨著圖像的復雜程度越來越高，單純由CPU進行這項工作對于CPU的負荷遠遠超出了CPU的正常性能范圍，這個時候就需要一個在圖形處理過程中擔當重任的角色，GPU也就是從那時起正式誕生了。

從GPU的結(jié)構(gòu)示意圖上來看，一塊標準的GPU主要包括通用計算單元、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)進行并行處理。CPU執(zhí)行計算任務時，一個時刻只處理一個數(shù)據(jù)，不存在真正意義上的并行，而GPU具有多個處理器核，在一個時刻可以并行處理多個數(shù)據(jù)。

GPU采用流式并行計算模式，可對每個數(shù)據(jù)進行獨立的并行計算，所謂“對數(shù)據(jù)進行獨立計算”，即，流內(nèi)任意元素的計算不依賴于其它同類型數(shù)據(jù)，例如，計算一個頂點的世界位置坐標，不依賴于其他頂點的位置。而所謂“并行計算”是指“多個數(shù)據(jù)可以同時被使用，多個數(shù)據(jù)并行運算的時間和1個數(shù)據(jù)單獨執(zhí)行的時間是一樣的”。

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）

頂點處理：這階段GPU讀取描述3D圖形外觀的頂點數(shù)據(jù)并根據(jù)頂點數(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，這些工作由硬件實現(xiàn)的Vertex Shader（定點著色器）完成。

光柵化計算：顯示器實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和線通過一定的算法轉(zhuǎn)換到相應的像素點。把一個矢量圖形轉(zhuǎn)換為一系列像素點的過程就稱為光柵化。例如，一條數(shù)學表示的斜線段，最終被轉(zhuǎn)化成階梯狀的連續(xù)像素點。

紋理帖圖：頂點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的圖片，從而生成“真實”的圖形。TMU（Texture mapping unit）即是用來完成此項工作。

像素處理：這階段（在對每個像素進行光柵化處理期間）GPU完成對像素的計算和處理，從而確定每個像素的最終屬性。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，將圖形映射到相應的像素點上，對每個像素進行計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計算的，GPU只有2個工作，1多邊形生成。2為多邊形上顏色。

實際應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再時時處理成屏幕上可見的多邊形，但是沒有紋理只有線框。CPU計算出模型后，GPU將模型數(shù)據(jù)放進顯存，顯卡同時也為模型貼材質(zhì)，給模型上顏色。CPU相應從顯存中獲取多邊形的信息。然后CPU計算光照后產(chǎn)生的影子的輪廓。等CPU計算出后，顯卡的工作又有了，那就是為影子中填充深的顏色。周而復始，完成CPU與GPU之間的數(shù)據(jù)交換。