GPU的體系結(jié)構(gòu)與通用計(jì)算(GPGPU)（精編版）

1、gpu的體系結(jié)構(gòu)與通用計(jì)算（gpgp）u1、總體框架可編程圖形流水線的總體框架如圖 3 所示，左邊用實(shí)線表示的流程就是傳統(tǒng)的圖形流水線的流程； 在這種通用的流水線中， 首先經(jīng)過(guò)頂點(diǎn)級(jí)的光照計(jì)算和坐標(biāo)變換，求出每個(gè)頂點(diǎn)的光照顏色值， 同時(shí)還將頂點(diǎn)坐標(biāo)從物體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到裁剪空間 (clip space。)然后，對(duì)每個(gè)三角形進(jìn)行光柵化處理并將對(duì)三角形頂點(diǎn)的顏色進(jìn)行雙線性插值，得到了三角形中每一個(gè)象素的顏色值。接著進(jìn)行紋理映射， 即根據(jù)每一個(gè)象素的紋理坐標(biāo)值將紋理圖顏色分配到每個(gè)象素上。最后進(jìn)行顏色混合計(jì)算 (blending)和霧化效果計(jì)算，得到的結(jié)果將會(huì)放進(jìn)幀緩存(frame buffer) 并顯

2、示到屏幕上。 目前的可編程的圖形硬件中， 除了光柵化這一部分依然保持固化的硬件實(shí)現(xiàn)不變以外，其他部分都引入了可編程性。也就是圖中的虛線部分。圖 3 可編程圖形流水線的總體框架頂點(diǎn)著色器 (vertex shader)的功能正是為了實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)的光照計(jì)算和坐標(biāo)變換， 在過(guò)去的硬件中， 人們只能實(shí)現(xiàn)一些固定的光照模型和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計(jì)算，但是在現(xiàn)在的可編程的圖形硬件中， 用戶可以通過(guò)編寫(xiě)代碼自由地設(shè)計(jì)自己所需要的光照模型和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計(jì)算公式，只要不超出硬件的功能即可。象素著色器 (pixel shader，)功能相對(duì)比較復(fù)雜，同時(shí)限制較多。它幾乎包括了所有光柵化以后的操作:采樣紋理，顏色混合計(jì)算 (ble

3、nding)和霧化效果計(jì)算等， 傳統(tǒng)圖形硬件中每個(gè)頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)值需要人工指定或者根據(jù)空間坐標(biāo)來(lái)計(jì)算，而在象素著色器中，允許采用多種紋理訪問(wèn)方式;每個(gè)象素的繪制信息 (例如，象素顏色值、紋理坐標(biāo)等 )均保存在寄存器中，象素著色器通過(guò)完成這些寄存器之間的加法，乘法或者點(diǎn)積等運(yùn)算操作， 從而在象素級(jí)別上實(shí)現(xiàn)光照明模型的計(jì)算。2、頂點(diǎn)著色器頂點(diǎn)著色器由算術(shù)邏輯單元和相應(yīng)的寄存器組成。頂點(diǎn)著色器和像素著色器都沒(méi)有內(nèi)存的概念， 所有的運(yùn)算都在寄存器之上進(jìn)行。每一個(gè)寄存器都是4 維向量寄存器， 指令集中的指令可以同時(shí)對(duì)4 個(gè)分量進(jìn)行運(yùn)算， 因此可以把它們看作是一個(gè)基于寄存器的向量處理器。l輸入寄存器用于存

4、放當(dāng)前被處理的頂點(diǎn)的屬性，例如頂點(diǎn)位置、法向量、顏色和紋理坐標(biāo)。l常量寄存器用于為頂點(diǎn)程序提供只讀常量參數(shù)，由 cpu控制，也就是通過(guò)外界函數(shù)調(diào)用進(jìn)行賦值。l只寫(xiě)的輸出寄存器則用于輸出處理后的頂點(diǎn)屬性。l可讀寫(xiě)的寄存器則可在頂點(diǎn)繪制編程器的計(jì)算過(guò)程中作為臨時(shí)寄存器使用。這些寄存器通常有固定的表達(dá)方式：輸入寄存器為vn ，輸出寄存器為on ， 常量寄存器為 cn ，而可讀寫(xiě)寄存器則為rn ，這里的 n 就是具體的寄存器編號(hào)。如第十號(hào)的輸入寄存器就寫(xiě)作v10 。而且每個(gè)寄存器都可以用xyzw 后綴名來(lái)訪問(wèn)寄存器中的rgba各個(gè)分量，比如說(shuō) :r1.w表示的就是第 1 號(hào)可讀寫(xiě)寄存器的第四個(gè)分量a分

5、量。圖 4 頂點(diǎn)著色器3、像素著色器像素著色器和頂點(diǎn)著色器的組成類(lèi)似，但多了紋理尋址的功能。圖 5 像素著色器4、與 cpu的區(qū)別圖 6 gpu與 cpu流水處理線圖形應(yīng)用的特點(diǎn)是大運(yùn)算量、大規(guī)模并行性、允許較長(zhǎng)的延遲與深度前向流水。這就決定了圖形處理器和微處理器在體系結(jié)構(gòu)上存在著很大的差別。首先圖形處理器要盡可能的實(shí)現(xiàn)高度并行性。這種并行性分為兩種 :數(shù)據(jù)并行性與流水線并行性。 為了充分利用數(shù)據(jù)并行性， 圖形處理器在兩個(gè)層次上進(jìn)行并行處理。第一層利用輸入數(shù)據(jù)流中數(shù)據(jù)元素之間的無(wú)關(guān)性，多個(gè)頂點(diǎn)(或像素)處理器運(yùn)行一個(gè)頂點(diǎn) (或者像素 )著色程序的多個(gè)拷貝，同時(shí)作用于輸入數(shù)據(jù)流中的多個(gè)數(shù)據(jù)元素之

6、上。 從這個(gè)意義上說(shuō)， 圖形處理器是一個(gè)流處理器。第二層是利用圖形運(yùn)算包含大量向量運(yùn)算的特點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)指令級(jí)并行性。 具體地說(shuō)就是把多個(gè)同類(lèi)型的標(biāo)量運(yùn)算合并到一個(gè)向量運(yùn)算之中。 因此，圖形處理器又是一個(gè)向量處理器。其次，流水并行性允許頂點(diǎn)著色程序與像素著色程序同時(shí)運(yùn)行，前者的輸出恰為后者的輸入，構(gòu)成一種生產(chǎn)者和消費(fèi)者的關(guān)系。再次，為了保證大規(guī)模并行運(yùn)算，圖形處理器基本上不支持轉(zhuǎn)移指令或者只提供有限的支持，著色程序的靜態(tài)長(zhǎng)度和動(dòng)態(tài)可執(zhí)行長(zhǎng)度也非常短。最后，圖形處理器有著比微處理器多的多的算術(shù)邏輯運(yùn)算單元。圖形處理器的所有指令都具有相同的延遲，不存在各類(lèi)流水競(jìng)爭(zhēng)。5、通用計(jì)算 gpgpu圖形處理器強(qiáng)

7、大的運(yùn)算能力吸引著研究者們思考這樣的問(wèn)題:能不能利用gpu做一些 3d 繪制以外的工作?；趃pu的通用計(jì)算 (general purpose gpu，gpgpu的) 概念應(yīng)運(yùn)而生，它指的是利用圖形卡來(lái)實(shí)現(xiàn)一般意義上的計(jì)算，而不單純是 3d 繪制。在可編程圖形處理器迅速發(fā)展的同時(shí)，相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)也在不斷進(jìn)步。目前，常用的三維圖形編程接口是opengl和 direct3d，其擴(kuò)充功能由 gpu廠家提供，或由 api軟件開(kāi)發(fā)者提供。 利用高級(jí)語(yǔ)言而不依賴于具體的硬件及計(jì)算平臺(tái)的編程一直是應(yīng)用的努力目標(biāo)， 并陸續(xù)出現(xiàn)了基于各種編程接口的高級(jí)渲染語(yǔ)言。繪制程序 (shader)設(shè)計(jì)的思想源自于早年

8、pixar 設(shè)計(jì)的 renderman 繪制軟件。此軟件多年來(lái)廣泛應(yīng)用于好萊塢電影制作的繪制。關(guān)于新型標(biāo)準(zhǔn)繪制語(yǔ)言的研究工作，近年來(lái)具有較大影響的是：opengl shading languag，e 斯坦福大學(xué)的rtsl(real-time shading language，) microsoft的 hlsl (high-level shading language)以及 nvidia 的 cg（ c for graphics）。盡管還未形成統(tǒng)一的繪制語(yǔ)言，這些語(yǔ)言的研究和應(yīng)用為用戶提供了直接基于api(opengl或 directx)編程的較為方便和高層次的工具 ,尤其是 nvidia 的 cg。圖 7 gpu通用計(jì)算cg代表（用于圖形的 c語(yǔ)言），是由 nvidia 認(rèn)公司推出的圖形硬件高級(jí)著