【GPU驱动开发】-GPU架构简介

前言

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GPU（Graphics Processing Unit，图形处理单元）是一种专门用于处理图形和并行计算的处理器。GPU系统架构通常包括硬件和软件层面的组件。

一、总体流程

应用程序请求图形操作：
应用程序通过图形API（如OpenGL、Vulkan）发送图形操作请求。
图形API调用GPU驱动程序：
图形API将请求传递给GPU驱动程序。
GPU驱动程序解释和执行：
GPU驱动程序将高级图形指令解释为底层硬件指令，然后执行这些指令。
结果发送到显示服务器：
渲染结果发送回显示服务器，显示服务器负责在屏幕上渲染图形。

二、硬件层面

a. 流处理器（Streaming Processors）：
GPU的核心部分是流处理器，也称为CUDA核心。它们执行计算任务，并能够同时处理多个数据流，从而实现并行计算。每个流处理器可以执行特定的指令集，类似于CPU中的处理器核心。
b. 图形处理单元（Graphics Processing Clusters，GPCs）：
GPC是GPU中的一个硬件单元，包含多个流处理器、纹理单元和光栅化单元。每个GPC能够独立执行图形和计算任务。
c. 纹理单元（Texture Units）：
纹理单元负责处理纹理映射，将图像映射到3D模型上。它们可以加速图形渲染中的纹理贴图操作。
d. 光栅化单元（Raster Operation Processors，ROPs）：
ROPs负责将图形渲染的最终结果输出到屏幕上。它们执行混合、深度测试等操作，确保图形正确呈现。
e. 内存子系统：
GPU通常拥有自己的显存，用于存储图形数据和中间计算结果。高带宽、低延迟的显存对于GPU的性能至关重要。近年来，一些GPU还支持共享内存，使得GPU能够更好地与主系统内存进行协同工作。
f. GPU总线：
GPU通过总线与主板和CPU通信。PCI Express（PCIe）是一种常见的总线标准，用于连接GPU和计算机系统。

三、软件层面

a.驱动程序：
GPU驱动程序是连接操作系统和GPU硬件的软件层。它负责将操作系统发出的指令转换为GPU可以理解的指令，并管理GPU的资源。NVIDIA的CUDA和AMD的ROCm是两种常见的GPU编程框架，它们提供了GPU编程的API和工具。
b. 编程模型：
GPU编程通常采用并行计算的模型，其中任务被分解成许多小的并行任务，由GPU的流处理器并行执行。CUDA和OpenCL是两种广泛使用的GPU编程语言，它们允许开发人员直接利用GPU的并行性。
c. 图形API：
除了用于通用计算外，GPU还用于图形渲染。OpenGL和DirectX是两种常见的图形API，它们提供了用于渲染图形和处理图形效果的接口。
d. 深度学习框架：
近年来，GPU在深度学习领域的应用迅速增加。深度学习框架如TensorFlow和PyTorch支持GPU加速，使得神经网络训练和推断等任务能够受益于GPU的并行计算能力。