GPU與顯卡

一．什么是GPU？

GPU這個(gè)概念是由Nvidia公司于1999年提出的。GPU是顯卡上的一塊芯片，就像CPU是主板上的一塊芯片。那么1999年之前顯卡上就沒(méi)有GPU嗎？當(dāng)然有，只不過(guò)那時(shí)候沒(méi)有人給它命名，也沒(méi)有引起人們足夠的重視，發(fā)展比較慢。

自Nvidia提出GPU這個(gè)概念后，GPU就進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其經(jīng)過(guò)了以下幾個(gè)階段的發(fā)展：

1）僅用于圖形渲染，此功能是GPU的初衷，這一點(diǎn)從它的名字就可以看出：Graphic Processing Unit，圖形處理單元；

2）后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，GPU這么一個(gè)強(qiáng)大的器件只用于圖形處理太浪費(fèi)了，它應(yīng)該用來(lái)做更多的工作，例如浮點(diǎn)運(yùn)算。怎么做呢？直接把浮點(diǎn)運(yùn)算交給GPU是做不到的，因?yàn)樗荒苡糜趫D形處理（那個(gè)時(shí)候）。最容易想到的，是把浮點(diǎn)運(yùn)算做一些處理，包裝成圖形渲染任務(wù)，然后交給GPU來(lái)做。這就是GPGPU（General
Purpose GPU）的概念。不過(guò)這樣做有一個(gè)缺點(diǎn)，就是你必須有一定的圖形學(xué)知識(shí)，否則你不知道如何包裝。

3）于是，為了讓不懂圖形學(xué)知識(shí)的人也能體驗(yàn)到GPU運(yùn)算的強(qiáng)大，Nvidia公司又提出了CUDA的概念。

二．顯卡工作原理

視頻顯示流程圖

1．顯卡工作流程

圖像或者視頻數(shù)據(jù)一旦離開(kāi)CPU，必須通過(guò)4個(gè)步驟，才會(huì)到達(dá)顯示器：

1）從總線進(jìn)入GPU(Graphics
Processing Unit,圖形處理器)：將CPU送來(lái)的數(shù)據(jù)總線，再?gòu)目偩€送到GPU里面進(jìn)行處理。

2）從GPU進(jìn)入幀緩沖存儲(chǔ)器（或稱顯存)：將GPU芯片處理完的數(shù)據(jù)送到顯存。

3）從顯存進(jìn)入視頻控制器：視頻控制器有可能是DAC(Digital
Analog Converter，隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)數(shù)—模轉(zhuǎn)換器)，從顯存讀取出數(shù)據(jù)再送到RAM DAC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作(數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào))；但是如果是DVI接口類型的顯卡，則不需要經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào)。而直接輸出數(shù)字信號(hào)。

4）從視頻控制器進(jìn)入顯示器：將轉(zhuǎn)換完的模擬信號(hào)送到顯示屏。

2．顯卡的類型

1）集成顯卡

集成的顯卡一般不帶有顯存，而是使用系統(tǒng)的一部分主內(nèi)存作為顯存，具體的數(shù)量一般是系統(tǒng)根據(jù)需要自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整的。顯然如果使用集成顯卡運(yùn)行需要大量占用內(nèi)存的空間，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響會(huì)比較明顯，此外系統(tǒng)內(nèi)存的頻率通常比獨(dú)立顯卡的顯存低很多，因此集成顯卡的性能比獨(dú)立顯卡要遜色一些。

2）獨(dú)立顯卡

獨(dú)立顯卡，簡(jiǎn)稱獨(dú)顯，港澳臺(tái)地區(qū)稱獨(dú)立顯示卡，是指成獨(dú)立的板卡，需要插在主板的相應(yīng)接口上的顯卡。獨(dú)立顯卡分為內(nèi)置獨(dú)立顯卡和外置顯卡。獨(dú)立顯卡是指以獨(dú)立板卡形式存在，可在具備顯卡接口的主板上自由插拔的顯卡。獨(dú)立顯卡具備單獨(dú)的顯存，不占用系統(tǒng)內(nèi)存，而且技術(shù)上領(lǐng)先于集成顯卡，能夠提供更好的顯示效果和運(yùn)行性能。

3）核心顯卡

英文原名Core graphics card，核心圖形卡，意思是集成在核心中的顯卡。核心顯卡是新一代的智能圖形核心，它整合在智能處理器當(dāng)中，依托處理器強(qiáng)大的運(yùn)算能力和智能能效調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，在更低功耗下實(shí)現(xiàn)同樣出色的圖形處理性能和流暢的應(yīng)用體驗(yàn)。需要注意的是，核心顯卡雖然與傳統(tǒng)意義上的集成顯卡并不相同，工作方式的不同決定了它的性能比早期的集成顯卡有所提升，但是它仍然是一種集成顯卡，集成在核心中的顯卡。

關(guān)于顯存

用來(lái)存儲(chǔ)屏幕上像素的顏色值，簡(jiǎn)稱幀緩沖器，俗稱顯存。幀緩沖器中的單元數(shù)目與顯示器上的像素?cái)?shù)目相同，單元與像素一一對(duì)應(yīng)，各單元的數(shù)值決定了其對(duì)應(yīng)的像素的顏色。

三．關(guān)于GPU

GPU(graphics processing unit,圖形處理器)，又稱顯示核心、視覺(jué)處理器、顯示芯片或繪圖芯片，是一種專門在個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站、游戲機(jī)和一些移動(dòng)設(shè)備(如平板電腦、智能手機(jī)等)上運(yùn)行繪圖運(yùn)算工作的微處理器。換句話說(shuō)，就是把CPU的數(shù)據(jù)翻譯成顯示器能讀懂的數(shù)據(jù)。

CPU與GPU的結(jié)構(gòu)對(duì)比如下圖：

CPU是一個(gè)有多種功能的優(yōu)秀領(lǐng)導(dǎo)者。它的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)度、管理、協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，計(jì)算能力則位于其次。而GPU相當(dāng)于一個(gè)接受CPU調(diào)度的“擁有大量計(jì)算能力”的員工。換言之，CPU擅長(zhǎng)統(tǒng)領(lǐng)全局等復(fù)雜操作，GPU擅長(zhǎng)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單重復(fù)操作。CPU是從事復(fù)雜腦力勞動(dòng)的教授，而GPU能進(jìn)行大量并行計(jì)算。

GPU加速

GPU加速計(jì)算是指同時(shí)利用圖形處理器(GPU)和CPU，加快科學(xué)、分析、工程、消費(fèi)和企業(yè)應(yīng)用程序的運(yùn)行速度。

GPU加速計(jì)算可以提供非凡的應(yīng)用程序性能，能將應(yīng)用程序計(jì)算密集部分的工作負(fù)載轉(zhuǎn)移到GPU，同時(shí)仍由CPU運(yùn)行其余程序代碼。從用戶的角度來(lái)看，應(yīng)用程序的運(yùn)行速度明顯加快。

理解GPU和CPU之間區(qū)別的一種簡(jiǎn)單方式是比較它們?nèi)绾翁幚砣蝿?wù)。CPU由專為順序串行處理而優(yōu)化的幾個(gè)核心組成，而GPU則擁有一個(gè)由數(shù)以千計(jì)的更小、更高效的核心(專為同時(shí)處理多重任務(wù)而設(shè)計(jì))組成的大規(guī)模并行計(jì)算架構(gòu)。

四、視頻渲染器

視頻渲染器，Video Renderer是接收CPU的RGB/YUV裸數(shù)據(jù)，然后在顯示器上顯示的Filter。

運(yùn)行在顯卡上的一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。完成將CPU發(fā)送視頻數(shù)據(jù)顯示到顯示器的一個(gè)軟件。使用potplay可以查看系統(tǒng)支持的選擇渲染器種類。

SDL是一個(gè)封裝庫(kù)，對(duì)opengl/directD3D的封裝。SDL使用統(tǒng)一的接口，在編譯的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)匹配最優(yōu)的渲染方案。

opengl/directD3D是3D規(guī)范，各個(gè)GPU廠商需要按照這個(gè)3D規(guī)范實(shí)現(xiàn)接口調(diào)用，便于業(yè)務(wù)層使用。

備注

有獨(dú)立顯卡的主機(jī)后面有兩個(gè)接顯示器的口。

編號(hào)1口：使用的是Intel的集成顯卡。

編號(hào)2口：是AMD或者英偉達(dá)的獨(dú)立顯卡。

只有當(dāng)顯示器線接到指定顯卡后，才會(huì)使用該顯卡。

五．什么是CUDA？

CUDA(Compute Unified Device Architecture)，通用并行計(jì)算架構(gòu)，是一種運(yùn)算平臺(tái)。它包含CUDA指令集架構(gòu)以及GPU內(nèi)部的并行計(jì)算引擎。你只要使用一種類似于C語(yǔ)言的CUDA C語(yǔ)言，就可以開(kāi)發(fā)CUDA程序，從而可以更加方便的利用GPU強(qiáng)大的計(jì)算能力，而不是像以前那樣先將計(jì)算任務(wù)包裝成圖形渲染任務(wù)，再交由GPU處理。

注意，并不是所有GPU都支持CUDA。

CPU和GPU的關(guān)系

在沒(méi)有GPU之前，基本上所有的任務(wù)都是交給CPU來(lái)做的。有GPU之后，二者就進(jìn)行了分工，CPU負(fù)責(zé)邏輯性強(qiáng)的事物處理和串行計(jì)算，GPU則專注于執(zhí)行高度線程化的并行處理任務(wù)（大規(guī)模計(jì)算任務(wù)）。為什么這么分工？這是由二者的硬件構(gòu)成決定的。

可以看出，CPU是“主（host）”而GPU是“從（device）”，GPU無(wú)論發(fā)展得多快，都只能是替CPU分擔(dān)工作，而不是取代CPU。

附1：獨(dú)立顯卡和集成顯卡的區(qū)別。

所謂集成，是指顯卡集成在主板上，不能隨意更換。而獨(dú)立顯卡是作為一個(gè)獨(dú)立的器件插在主板的AGP接口上的，可以隨時(shí)更換升級(jí)。

另外，集成顯卡使用物理內(nèi)存，而獨(dú)立顯卡有自己的顯存。一般而言，同期推出的獨(dú)立顯卡的性能和速度要比集成顯卡好、快。

值得一提的是，集成顯卡和獨(dú)立顯卡都是有GPU的。

附2：Nvidia顯卡分類。

GeForce系列：家庭娛樂(lè)。打游戲必備；

Quadro系列：專業(yè)繪圖設(shè)計(jì)。視頻渲染，經(jīng)常使用3ds Max、Maya等軟件的必備。

Tesla系列：高端顯卡，用于大規(guī)模的并行計(jì)算。土豪必備。

另外，目前比較流行的物理引擎PhysX，并不是所有顯卡都支持。官方文檔上說(shuō)GeForce 8及之后的顯卡都支持。

CUDA只是一種并行計(jì)算架構(gòu)，相關(guān)的概念還有OpenCL、OpenMP等。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的GPU与显卡的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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