GPU工作原理简介

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1、GPU工作原理简介计算机0601沈凯杰【引言】在GPU出现以前，显卡和CPU的关系有点像“主仆”，简单地说这时的显卡就是画笔，根据各种有CPU发出的指令和数据进行着色，材质的填充、渲染、输出等。较早的娱乐用的3D显卡又称“3D加速卡”，由于大部分坐标处理的工作及光影特效需要由CPU亲自处理，占用了CPU太多的运算时间，从而造成整体画面不能非常流畅地表现出来。例如，渲染一个复杂的三维场景，需要在一秒内处理几千万个三角形顶点和光栅化几十亿的像素。早期的3D游戏，显卡只是为屏幕上显示像素提供一个缓存，所有的图形处理都是由CPU单独完成。图

2、形渲染适合并行处理，擅长于执行串行工作的CPU实际上难以胜任这项任务。所以，那时在PC上实时生成的三维图像都很粗糙。不过在某种意义上，当时的图形绘制倒是完全可编程的，只是由CPU来担纲此项重任，速度上实在是达不到要求。随着时间的推移，CPU进行各种光影运算的速度变得越来越无法满足游戏开发商的要求，更多多边形以及特效的应用榨干了几乎所有的CPU性能，矛盾产生了······【目录】第一章．GPU的诞生3.1GPU中数据的处理流程3.2CPU与GPU的数据处理关系3.3传统GPU指令的执行3.4GPU的多线程及并行计算3.4.1多线程机制

3、3.4.2并行计算第二章．GPU的结构第三章．GPU的工作原理第四章．GPU未来的展望4.1GPU能否包办一切4.2GPU时代即将到来【正文】第一章．GPU的诞生NVIDIA公司在1999年8月31日发布GeForce256图形处理芯片时首先提出GPU的概念。GPU之所以被称为图形处理器，最主要的原因是因为它可以进行几乎全部与计算机图形有关的数据运算，而这些在过去是CPU的专利。目前，计算机图形学正处于前所未有的发展时期。近年来，GPU技术以令人惊异的速度在发展。渲染速率每6个月就翻一番。性能自99年，5年来翻番了10次，也就是（2

4、的10次方比2）提高了上千倍！与此同时，不仅性能得到了提高，计算质量和图形编程的灵活性也逐渐得以改善。以前，PC和计算机工作站只有图形加速器，没有图形处理器（GPU），而图形加速器只能简单的加速图形渲染。而GPU取代了图形加速器之后，我们就应该摒弃图形加速器的旧观念。第二章．GPU的结构GPU全称是GraphicProcessingUnit－－图形处理器，其最大的作用就是进行各种绘制计算机图形所需的运算，包括顶点设置、光影、像素操作等。GPU实际上是一组图形函数的集合，而这些函数有硬件实现，只要用于3D游戏中物体移动时的坐标转换及光

5、源处理。以前，这些工作都是有CPU配合特定软件进行的，GPU从某种意义上讲就是为了在图形处理过程中充当主角而出现的。下图就是一个简单的GPU结构示意图，一块标准的GPU主要包括2DEngine、3DEngine、VideoProcessingEngine、FSAAEngine、显存管理单元等。其中，3D运算中起决定作用的是3DEngine，这是现代3D显卡的灵魂，也是区别GPU等级的重要标志。3DEnglne在各公司的产品中都是宣传攻势的重点照顾对象，名字一个比一个响，像NVIDIA的nFjnjtFX系列、CineFX系列，ATI的

6、SmoothVision系列。一个3DEngine通常包含着T&L单元、VertexProeessingEngine、SetupEngine、PiexlShader等部分。第三章．GPU的工作原理3.1GPU中数据的处理流程现在让我们来看看第二代GPU是如何完整处理一个画面的吧！首先，来自CPU的各种物理参数进入GPU，Vertexshader将对顶点数据进行基本的判断。如果没有需要处理的Vertex效果，则顶点数据直接进入T&LUnit进行传统的T&L操作以节约时间提高效率。如果需要处理各种Vertex效果，则Vertexshad

7、er将先对各种VertexPrograms的指令进行运算，一般的VertexPrograms中往往包含了过去转换、剪切、光照运算等所需要实现的效果，故经由Vertexshader处理的效果一般不需要再进行T&L操作。另外，当遇到涉及到曲面镶嵌(把曲面，比如弓形转换成为多边形或三角形)的场合时。CPU可以直接将数据交给Vertexshader进行处理。另外，在DireetX8.0的Transform过程中，Vertexshader可以完成Z值的剔除，也就是BackFaceCulling――阴面隐去。这就意味粉除了视野以外的顶点，视野内

8、坡前面项点遮住的顶点也会被一并剪除，这大大减轻了需要进行操作的顶点数目。接下来，经由VertexShader处理完成的各种数据将流入SetupEngine，在这里，运算单元将进行三角形的设置工作，这是整个绘图过程中最重要的一个步骤，S