怎樣將GPU作為CPU的協(xié)處理器工作

GPU

圖形處理器（英語(yǔ)：Graphics Processing Unit，縮寫(xiě)：GPU），又稱顯示核心、視覺(jué)處理器、顯示芯片，是一種專門(mén)在個(gè)人電腦、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）上圖像運(yùn)算工作的微處理器。

用途是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需要的顯示信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)，并向顯示器提供行掃描信號(hào)，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個(gè)人電腦主板的重要元件，也是“人機(jī)對(duì)話”的重要設(shè)備之一。顯卡作為電腦主機(jī)里的一個(gè)重要組成部分，承擔(dān)輸出顯示圖形的任務(wù)，對(duì)于從事專業(yè)圖形設(shè)計(jì)的人來(lái)說(shuō)顯卡非常重要。

顯卡的處理器稱為圖形處理器（GPU），它是顯卡的“心臟”，與CPU類似，只不過(guò)GPU是專為執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計(jì)算而設(shè)計(jì)的，這些計(jì)算是圖形渲染所必需的。某些最快速的GPU集成的晶體管數(shù)甚至超過(guò)了普通CPU。

時(shí)下的GPU多數(shù)擁有2D或3D圖形加速功能。如果CPU想畫(huà)一個(gè)二維圖形，只需要發(fā)個(gè)指令給GPU，如“在坐標(biāo)位置（x， y）處畫(huà)個(gè)長(zhǎng)和寬為a×b大小的長(zhǎng)方形”，GPU就可以迅速計(jì)算出該圖形的所有像素，并在顯示器上指定位置畫(huà)出相應(yīng)的圖形，畫(huà)完后就通知CPU “我畫(huà)完了”，然后等待CPU發(fā)出下一條圖形指令。

有了GPU，CPU就從圖形處理的任務(wù)中解放出來(lái)，可以執(zhí)行其他更多的系統(tǒng)任務(wù)，這樣可以大大提高計(jì)算機(jī)的整體性能。

GPU會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以它的上方通常安裝有散熱器或風(fēng)扇。

GPU是顯示卡的“大腦”，GPU決定了該顯卡的檔次和大部分性能，同時(shí)GPU也是2D顯示卡和3D顯示卡的區(qū)別依據(jù)。2D顯示芯片在處理3D圖像與特效時(shí)主要依賴CPU的處理能力，稱為軟加速。3D顯示芯片是把三維圖像和特效處理功能集中在顯示芯片內(nèi)，也就是所謂的“硬件加速”功能。顯示芯片一般是顯示卡上最大的芯片（也是引腳最多的）。時(shí)下市場(chǎng)上的顯卡大多采用NVIDIA和 AMD-ATI 兩家公司的圖形處理芯片。

GPU已經(jīng)不再局限于3D圖形處理了，GPU通用計(jì)算技術(shù)發(fā)展已經(jīng)引起業(yè)界不少的關(guān)注，事實(shí)也證明在浮點(diǎn)運(yùn)算、并行計(jì)算等部分計(jì)算方面，GPU可以提供數(shù)十倍乃至于上百倍于CPU的性能，如此強(qiáng)悍的“新星”難免會(huì)讓CPU廠商老大英特爾為未來(lái)而緊張， NVIDIA和英特爾也經(jīng)常為CPU和GPU誰(shuí)更重要而展開(kāi)口水戰(zhàn)。GPU通用計(jì)算方面的標(biāo)準(zhǔn)目前有OpenCL、CUDA、ATI STREAM。其中，OpenCL（全稱Open Computing Language，開(kāi)放運(yùn)算語(yǔ)言）是第一個(gè)面向異構(gòu)系統(tǒng)通用目的并行編程的開(kāi)放式、免費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，也是一個(gè)統(tǒng)一的編程環(huán)境，便于軟件開(kāi)發(fā)人員為高性能計(jì)算服務(wù)器、桌面計(jì)算系統(tǒng)、手持設(shè)備編寫(xiě)高效輕便的代碼，而且廣泛適用于多核心處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、Cell類型架構(gòu)以及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）等其他并行處理器，在游戲、娛樂(lè)、科研、醫(yī)療等各種領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景，AMD-ATI、NVIDIA時(shí)下的產(chǎn)品都支持OPEN CL。

1985年 8月20日 ATi公司成立，同年10月ATi使用ASIC技術(shù)開(kāi)發(fā)出了第一款圖形芯片和圖形卡，1992年 4月 ATi發(fā)布了 Mach32 圖形卡集成了圖形加速功能，1998年 4月 ATi被IDC評(píng)選為圖形芯片工業(yè)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，但那時(shí)候這種芯片還沒(méi)有GPU的稱號(hào)，很長(zhǎng)的一段時(shí)間ATI都是把圖形處理器稱為VPU，直到AMD收購(gòu)ATI之后其圖形芯片才正式采用GPU的名字。

NVIDIA公司在1999年發(fā)布GeForce 256圖形處理芯片時(shí)首先提出GPU的概念。從此NV顯卡的芯就用這個(gè)新名字GPU來(lái)稱呼。GPU使顯卡削減了對(duì)CPU的依賴，并實(shí)行部分原本CPU的工作，更加是在3D圖形處理時(shí)。GPU所采用的核心技術(shù)有硬體T&L、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖與頂點(diǎn)混合、紋理壓縮及凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬體T&L技術(shù)能夠說(shuō)是GPU的標(biāo)志。

CPU

中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。

中央處理器主要包括運(yùn)算器（算術(shù)邏輯運(yùn)算單元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)（Data）、控制及狀態(tài)的總線（Bus）。它與內(nèi)部存儲(chǔ)器（Memory）和輸入/輸出（I/O）設(shè)備合稱為電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。

CPU包括運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。

邏輯部件

英文Logic components；運(yùn)算邏輯部件。可以執(zhí)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址運(yùn)算和轉(zhuǎn)換。

寄存器

寄存器部件，包括寄存器、專用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)兩類，它們用來(lái)保存指令執(zhí)行過(guò)程中臨時(shí)存放的寄存器操作數(shù)和中間（或最終）的操作結(jié)果。通用寄存器是中央處理器的重要部件之一。

控制部件

英文Control unit；控制部件，主要是負(fù)責(zé)對(duì)指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個(gè)操作的控制信號(hào)。

其結(jié)構(gòu)有兩種：一種是以微存儲(chǔ)為核心的微程序控制方式；一種是以邏輯硬布線結(jié)構(gòu)為主的控制方式。

微存儲(chǔ)中保持微碼，每一個(gè)微碼對(duì)應(yīng)于一個(gè)最基本的微操作，又稱微指令；各條指令是由不同序列的微碼組成，這種微碼序列構(gòu)成微程序。中央處理器在對(duì)指令譯碼以后，即發(fā)出一定時(shí)序的控制信號(hào)，按給定序列的順序以微周期為節(jié)拍執(zhí)行由這些微碼確定的若干個(gè)微操作，即可完成某條指令的執(zhí)行。

簡(jiǎn)單指令是由（3～5）個(gè)微操作組成，復(fù)雜指令則要由幾十個(gè)微操作甚至幾百個(gè)微操作組成。

協(xié)處理器

協(xié)處理器（coprocessor），一種芯片，用于減輕系統(tǒng)微處理器的特定處理任務(wù)。

協(xié)處理器，這是一種協(xié)助中央處理器完成其無(wú)法執(zhí)行或執(zhí)行效率、效果低下的處理工作而開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的處理器。這種中央處理器無(wú)法執(zhí)行的工作有很多，比如設(shè)備間的信號(hào)傳輸、接入設(shè)備的管理等；而執(zhí)行效率、效果低下的有圖形處理、聲頻處理等。為了進(jìn)行這些處理，各種輔助處理器就誕生了。需要說(shuō)明的是，由于現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)中，整數(shù)運(yùn)算器與浮點(diǎn)運(yùn)算器已經(jīng)集成在一起，因此浮點(diǎn)處理器已經(jīng)不算是輔助處理器。而內(nèi)建于CPU中的協(xié)處理器，同樣不算是輔助處理器，除非它是獨(dú)立存在。

協(xié)處理器的消亡

80486CPU之前有協(xié)處理器，提高浮點(diǎn)運(yùn)算能力，那時(shí)cpu較弱才有的協(xié)處理器，速度是原來(lái)數(shù)百倍不止，pc機(jī)一般不存在協(xié)處理器了。

ARM 微處理器

ARM 微處理器可支持多達(dá) 16 個(gè)協(xié)處理器，用于各種協(xié)處理操作，在程序執(zhí)行的過(guò)程中，每個(gè)協(xié)處理器只執(zhí)行針對(duì)自身的協(xié)處理指令，忽略 ARM 處理器和其他協(xié)處理器的指令。ARM 的協(xié)處理器指令主要用于 ARM 處理器初始化 ARM 協(xié)處理器的數(shù)據(jù)處理操作，以及在ARM 處理器的寄存器和協(xié)處理器的寄存器之間傳送數(shù)據(jù)，和在 ARM 協(xié)處理器的寄存器和存儲(chǔ)器之間傳送數(shù)據(jù)。 ARM 協(xié)處理器指令包括以下 5 條： — CDP 協(xié)處理器數(shù)操作指令— LDC 協(xié)處理器數(shù)據(jù)加載指令— STC 協(xié)處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指令— MCR ARM 處理器寄存器到協(xié)處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令— MRC 協(xié)處理器寄存器到ARM 處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令。

ARM：協(xié)處理器包括以下5條：

CDP：協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作指令。

LDC：協(xié)處理器數(shù)據(jù)加載指令。

STC：協(xié)處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指令。

MCR：ARM處理器寄存器到協(xié)處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令。

MRC：協(xié)處理器寄存器到ARM處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令。