GPU的工作原理是什么？渲染几个阶段流程介绍

图形处理器GPU将是下述内容的主要介绍对象，通过这篇文章，小编希望大家可以对图形处理器GPU的相关情况以及信息有所认识和了解，详细内容如下。

一、GPU的工作原理

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。

那么，GPU的工作原理是什么?

简单的说GPU就是能够从硬件上支持T&L(Transform and Lighting，多边形转换与光源处理)的显示芯片，因为T&L是3D渲染中的一个重要部分，其作用是计算多边形的3D位置和处理动态光线效果，也可以称为“几何处理”。一个好的T&L单元，可以提供细致的3D物体和高级的光线特效;只不过大多数PC中，T&L的大部分运算是交由CPU处理的(这就也就是所谓的软件T&L)，由于CPU的任务繁多，除了T&L之外，还要做内存管理、输入响应等非3D图形处理工作，因此在实际运算的时候性能会大打折扣，常常出现显卡等待CPU数据的情况，其运算速度远跟不上今天复杂三维游戏的要求。主机总线接口模块收到来自PCI总线的读写操作，包括对寄存器的读写操作和对显示存储的读写操作，完成对寄存器的初始化后，基本图形模式能够正常输出显示。打开视频采集寄存器后能够实时采集显示视屏图像窗口。

即使CPU的工作频率超过 1GHz或更高，对它的帮助也不大，由于这是PC本身设计造成的问题，与CPU的速度无太大关系。

二、实例阐述GPU渲染流程

下面以绘制一朵玫瑰为例来说明GPU图形流水线的工作流程。

首先，GPU从显存读取描述玫瑰3D外观的顶点数据，生成一批反映三角形场景位置与方向的顶点;

由vertex shader计算2D坐标和亮度值，在屏幕空间绘出构成玫瑰的顶点;

顶点被分组成三角形图元;

geometry shader进行进一步细化，生成更多图元;

随后，GPU中的固定功能单元对这些图元进行光栅化，生成相应的片元集合;

由pixel shader从显存中读取纹理数据对片元上色和渲染;

最后一个阶段，根据片元信息更新玫瑰图像，主要是可视度的处理。

由ROP完成像素到帧缓冲区的输出，帧缓冲区中的数据经过D/A输出到显示器上以后，就可以看到绘制完成的玫瑰图像了。

图形渲染过程具有内在的并行性：顶点之间、图元之间、片元之间的数据相关性很弱，对它们的计算可以独立并行进行。这使得通过并行处理提高吞吐量成为可能。

首先，渲染流水线具有时间上的功能并行。流水线的各级可以同时工作，当各级都能满负荷工作时，能够获得最高性能。

其次，渲染流水线具有数据并行性。不仅可以通过SIMD提高每一个可编程着色器的性能，还可以在一个GPU内集成多条渲染流水线实现更高的吞吐量。

总结一下，GPU渲染流程可以概括为以下内容：

1.顶点生成

2.顶点处理

3.图元生成

根据应用程序定义的顶点拓扑逻辑，把上阶段输出的顶点组织起来形成有序的图元流。顶点拓扑逻辑定义了图元在输出流中的顺序，一个图元记录由若干顶点记录组成。

4.图元处理

5.片元生成

这一阶段将对每一个图元在屏幕空间进行采样，即光栅化。每一个采样点对应一个片元记录，记录该采样点在屏幕空间中的位置、与视点之间的距离以及通过插值获得的顶点属性等。

6.片元处理

片元处理阶段是可编程的，由pixel shader完成，主要完成图形的填色功能。模拟光线和物体表面的交互作用，决定每个片元的颜色及透明程度等属性。

7.像素操作

最后，小编诚心感谢大家的阅读。你们的每一次阅读，对小编来说都是莫大的鼓励和鼓舞。希望大家对图形处理器GPU已经具备了初步的认识，最后的最后，祝大家有个精彩的一天。