科普：深度解析GPU 知道不一定就懂

　　除了 CPU（中央處理器）以外，SoC（System On a Chip：片上系統）另一個(gè)重要的組成部分是圖像處理單元（Graphical Processing Unit），就是俗稱(chēng)的 GPU。大家或許都知道玩 3D 游戲少不了它，但具體發(fā)揮什么作用也許說(shuō)不清楚，這回我們就來(lái)揭開(kāi) GPU 的神秘面紗。

　　GPU 專(zhuān)門(mén)用于快速完成一些特定類(lèi)型的數學(xué)運算，特別是對于浮點(diǎn)、矢量和矩陣的計算，能將 3D 模型的信息轉換為 2D 表示，同時(shí)添加不同的紋理和陰影效果，所以 GPU 在硬件里也是比較特殊的存在。

　　3D 模型是由許許多多小三角形組成的，通過(guò) X、Y、Z 坐標定義每個(gè)三角形的頂點(diǎn)。實(shí)際處理中，小三角形的頂點(diǎn)會(huì )相互重合，如果一個(gè)復雜的模型由 500 個(gè)小三角形組成，最后需要定義的頂點(diǎn)數并沒(méi)有 1500 個(gè)那么多。而要將一個(gè)抽象的 3D 模型展現出來(lái)，三種要素不可缺少：位移、旋轉（三軸）和縮放，所有這些操作統稱(chēng)為轉換（transformation）。為了不陷入復雜繁瑣的數學(xué)運算，處理轉換（transformation）最佳的方式就是運用 4x4 的矩陣。

　　從 3D 建模到最終顯示在屏幕上，GPU 渲染場(chǎng)景使用的是流水線(xiàn)操作。早些時(shí)候流水線(xiàn)操作是固定不能作任何改動(dòng)的，整個(gè)操作由讀取三角形的頂點(diǎn)數據開(kāi)始，接著(zhù) GPU 處理完后進(jìn)入幀緩沖區（frame buffer），準備發(fā)送給顯示器。GPU 也能對場(chǎng)景進(jìn)行某些特定效果的處理，不過(guò)這些都是由工程師設計固定好的，能提供的選項很少。

　　可編程著(zhù)色器（Programmable shaders）

　　在 Android 仍在萌芽之時(shí)，桌面級的 GPU 就開(kāi)始可以對流水線(xiàn)部分的操作進(jìn)行編程。隨著(zhù) OpenGL ES 2.0 標準的推出，移動(dòng)版的 GPU 也開(kāi)始支持可編程操作，這些可編程的部分被稱(chēng)作著(zhù)色器（shaders），最重要的兩個(gè)著(zhù)色器是頂點(diǎn)著(zhù)色器（vertex shader）和片段著(zhù)色器（fragment shader）。每個(gè)頂點(diǎn)都會(huì )調用一次頂點(diǎn)著(zhù)色器，所以在渲染一個(gè)三角形時(shí)頂點(diǎn)著(zhù)色器需要被調用三次;而片段著(zhù)色器，我們可以簡(jiǎn)單的將每個(gè)片段（fragment）想象成屏幕上的每一個(gè)像素點(diǎn)，因此每生成一個(gè)像素片段著(zhù)色器就被會(huì )調用一次。

　　兩個(gè)著(zhù)色器充當不同的角色，頂點(diǎn)著(zhù)色器主要負責將 3D 模型的數據轉化為現實(shí)世界中的位置以及紋理貼圖或者光源，再進(jìn)行轉換（transformation）;片段著(zhù)色器則用于為每個(gè)像素設置相關(guān)的顏色。簡(jiǎn)單一點(diǎn)的說(shuō)明：頂點(diǎn)著(zhù)色器就是處理頂點(diǎn)相關(guān)的信息，片段著(zhù)色器就是處理畫(huà)面的顏色信息。

　　仔細觀(guān)察你會(huì )注意到每個(gè)頂點(diǎn)的處理都是相互獨立的，同樣每個(gè)片段的處理也是如此，這意味著(zhù) GPU 能夠并行運行著(zhù)色器，事實(shí)上 GPU 也是這么干的，絕大多數的移動(dòng) GPU 都有多個(gè)著(zhù)色器核心（可編程執行著(zhù)色器功能的獨立單元稱(chēng)之為著(zhù)色器核心），至于 GPU 廠(chǎng)商宣稱(chēng)對于著(zhù)色器調用優(yōu)于別家則屬于市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的問(wèn)題了。

　　以 ARM 的 Mali GPU 為例，其系列 GPU 名稱(chēng)后綴的“MPx”中的 x 代表有多少個(gè)著(zhù)色器核心，Mali T880 MP12 就代表有 12 個(gè)著(zhù)色器核心。每一個(gè)核心里面都有一條復雜的流水線(xiàn)，代表著(zhù)每完成一個(gè)著(zhù)色器操作，新的操作指令就會(huì )立刻發(fā)出，同時(shí)核心里面不止一個(gè)算術(shù)單元，所以在相同的時(shí)間內能完成多個(gè)操作。ARM Mali GPU（包括 Mali T600、T700 和 T800 系列）能在每一條流水線(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)出一條指令，所以一個(gè)典型的著(zhù)色器核心能并行發(fā)出 4 條指令，Mali GPU 目前最高支持 16 個(gè)核心，也就是說(shuō)可以并行發(fā)出最多 64 條指令。

　　所有的一切意味著(zhù) GPU 是并行處理大量數據的工作方式，與 CPU 非常不同，不是一般的順序操作。但這只是一個(gè)小問(wèn)題，嚴峻的事實(shí)在于可編程的著(zhù)色器核心代表著(zhù)每個(gè)核心的實(shí)際表現不再由 GPU 工程師設定好，而是取決于 app 開(kāi)發(fā)者。于是一個(gè)質(zhì)量較差的著(zhù)色器代碼能讓 GPU 的表現直線(xiàn)下降，幸運的是大多數的 3D 游戲開(kāi)發(fā)者都明白這個(gè)道理，會(huì )為著(zhù)色器運行做最佳的優(yōu)化。