Miten CPU ja GPU toimivat vuorovaikutuksessa tietokoneen grafiikan tarjoamiseen?

Tietokoneesi keskusyksikkö (CPU) ja grafiikkakäsittely-yksikkö (GPU) ovat vuorovaikutuksessa joka hetki, kun käytät tietokonettasi, jotta saat selkeän ja reagoivan visuaalisen käyttöliittymän. Lue lisää siitä, miten he toimivat yhdessä.

Kuva: sskennel.

Nykypäivän Kysymys- ja vastaus -istunto tulee meille suotuisasti SuperUser-Stack Exchange -palvelun osa-alueesta..

Kysymys

SuperUser-lukija Sathya esitti kysymyksen:

Täältä näet kuvakaappauksen pienestä C ++ -ohjelmasta, jonka nimi on Triangle.exe ja jossa on pyörivä kolmio, joka perustuu OpenGL API -ohjelmaan.

On totta, että se on hyvin perusmuotoinen esimerkki, mutta mielestäni sitä voidaan soveltaa muihin graafisen kortin toimintoihin.

Olin vain utelias ja halusin tietää koko prosessin kaksoisnapsauttamalla Triangle.exe-tiedostoa Windows XP -käyttöjärjestelmässä, kunnes näen näytössä pyörivän kolmion. Mitä tapahtuu, miten CPU (joka ensin käsittelee .exe: n) ja GPU: n (joka vie lopulta kolmiota näytölle)?

Oletan, että tämän pyörivän kolmion näyttäminen on lähinnä muun muassa seuraava laitteisto / ohjelmisto:

Laitteisto

HDD
Järjestelmämuisti (RAM)
prosessori
Videomuisti
GPU
LCD-näyttö

Ohjelmisto

Käyttöjärjestelmä
DirectX / OpenGL API
Nvidia-ohjain

Voiko kukaan selittää prosessia, ehkä jonkinlaisen vuokaavion avulla?

Sen ei pitäisi olla monimutkainen selitys, joka kattaa kaikki yksittäiset vaiheet (arvailu, joka ulottuisi soveltamisalan ulkopuolelle), mutta selitys, jonka välituote IT-kaveri voi seurata.

Olen varma, että monet ihmiset, jotka jopa kutsuvat itseään IT-ammattilaisiksi, eivät voineet kuvata tätä prosessia oikein.

Vastaus

Vaikka useat yhteisön jäsenet vastasivat kysymykseen, Oliver Salzburg meni ylimääräiselle mailille ja vastasi siihen paitsi yksityiskohtaisella vastauksella, mutta erinomaisella grafiikalla.

Kuva JasonC: ltä, saatavilla taustakuvana.

Hän kirjoittaa:

Päätin kirjoittaa hieman ohjelmoinnista ja siitä, miten komponentit puhuvat keskenään. Ehkä se valaisee joitakin alueita.

Esitelmä

Mitä se kestää, jotta saisit jopa yhden kuvan, jonka lähetit kysymykseesi, piirrettynä ruudulle?

On monia tapoja piirtää kolmiota näytölle. Yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan, ettei vertex-puskureita käytetty. (A huippupuskurion muistialue, johon tallennat koordinaatteja.) Oletetaan, että ohjelma kertoi yksinkertaisesti grafiikan käsittelyputkelle jokaisesta yksittäisestä huippupisteestä (kärki on vain koordinaatti avaruudessa) peräkkäin.

Mutta, Ennen kuin voimme tehdä mitään, meidän on ensin suoritettava joitakin rakennustelineitä. Katsotaan miksi myöhemmin:

// Tyhjennä näyttö ja syvyyspuskuri (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); // Nollaa nykyinen Modelview-matriisi glMatrixMode (GL_MODELVIEW); glLoadIdentity (); // Piirustus kolmioista glBegin (GL_TRIANGLES); // Punainen glColor3f (1.0f, 0.0f, 0.0f); // Ylös kolmio (edessä) glVertex3f (0.0f, 1.0f, 0.0f); // Vihreä glColor3f (0.0f, 1.0f, 0.0f); // Vasemmanpuoleinen kolmio (etu) glVertex3f (-1.0f, -1.0f, 1.0f); // Sininen glColor3f (0.0f, 0.0f, 1.0f); // Kolmio (oikea) glVertex3f (1.0f, -1.0f, 1.0f); // Valmis Piirustus glEnd ();

Joten mitä se teki?

Kun kirjoitat ohjelman, joka haluaa käyttää näytönohjainta, valitset yleensä jonkinlaisen käyttöliittymän ohjaimelle. Joitakin hyvin tunnettuja kuljettajan rajapintoja ovat:

OpenGL
Direct3D
CUDA

Tässä esimerkissä pidämme kiinni OpenGL: stä. Nyt, sinun käyttöliittymä on se, mikä antaa sinulle kaikki työkalut, joita tarvitset ohjelman tekemiseksi puhua näytönohjaimeen (tai kuljettajaan, joka sitten neuvottelut kortille).

Tämä käyttöliittymä on varmasti antanut sinulle varmuuden Työkalut. Nämä työkalut muodostavat API: n, jonka voit soittaa ohjelmastasi.

Tämä API on se, mitä näemme yllä olevassa esimerkissä. Katsotaanpa tarkemmin.

Rakennustelineet

Ennen kuin voit tehdä todellisen piirustuksen, sinun on suoritettava a perustaa. Sinun on määritettävä näkymisportti (alue, joka todella tehdään), näkökulma ( kamera omaan maailmaasi), mitä anti-aliaseja käytät (kolmion reunan tasoittamiseksi)…

Mutta emme katso mitään. Otamme vain kurkistelemaan mitä sinun tarvitsee tehdä jokainen kehys. Kuten:

Näytön tyhjentäminen

Grafiikkaputki ei tyhjennä ruutua jokaista kehystä varten. Sinun täytyy kertoa se. Miksi? Tämän vuoksi:

Jos et tyhjennä näyttöä, yksinkertaisesti piirtää se on jokainen kehys. Siksi me kutsumme glClear kanssaGL_COLOR_BUFFER_BIT sarja. Toinen bitti (GL_DEPTH_BUFFER_BIT) kertoo OpenGL: n tyhjentämään syvyyspuskuri. Tätä puskuria käytetään määrittämään, mitkä pikselit ovat muita pikseleitä edessä tai takana.

muutos

Kuvan lähde

Transformaatio on osa, jossa otamme kaikki syöttökoordinaatit (kolmion pisteet) ja käytämme ModelView-matriisia. Tämä on matriisi selittää miten meidän malli- (pisteet) pyöritetään, skaalataan ja käännetään (siirretään).

Seuraavaksi käytämme Projisointimatriisia. Tämä siirtää kaikki koordinaatit niin, että ne kohtaavat kameramme oikein.

Nyt muutamme vielä kerran, meidän Viewport -matriisi. Teemme tämän skaalata meidän malli- näytön koon mukaan. Nyt meillä on joukko huippupisteitä, jotka ovat valmiita tekemään!

Palaan muutokseen hieman myöhemmin.

Piirustus

Piirtääksesi kolmion, voimme yksinkertaisesti kertoa OpenGL: lle uuden luettelo kolmioista soittamalla glBegin kanssa GL_TRIANGLES jatkuva.
^{Voit myös piirtää muita lomakkeita. Kuten kolmionauha tai kolmion tuuletin. Nämä ovat ensisijaisesti optimointeja, koska ne edellyttävät vähemmän yhteydenpitoa CPU: n ja GPU: n välillä, jotta saadaan sama määrä kolmioita.}

Tämän jälkeen voimme tarjota luettelon kolmesta pisteestä, jotka muodostavat kunkin kolmion. Jokainen kolmio käyttää kolmea koordinaattia (kuten 3D-tilassa). Lisäksi annan myös a väri- kutakin huippua kohti soittamallaglColor3f ennen kutsumus glVertex3f.

OpenGL laskee 3 pisteiden välistä varjoa (kolmion kulmat 3)automaattisesti. Se interpoloi värin monikulmion koko kasvot.

vuorovaikutus

Kun napsautat ikkunaa. Sovelluksen on vain tallennettava ikkunan viesti, joka ilmoittaa napsautuksesta. Sitten voit suorittaa haluamasi toiminnon.

Tämä saa a erä vaikeampi, kun haluat aloittaa vuorovaikutuksen 3D-kohtauksen kanssa.

Sinun täytyy ensin tietää selvästi, millä pikselillä käyttäjä napsautti ikkunaa. Sitten ottamalla näkökulmaVoit laskea säteen suunnan hiiren napsautuksen paikasta kohtaasi. Tämän jälkeen voit laskea, onko jokin esine näkymässäsi leikkaa sen kanssa. Nyt tiedät onko käyttäjä napsauttanut kohdetta.

Joten, miten teet sen kiertymään?

muutos

Olen tietoinen kahdesta yleisesti sovellettavasta muunnoksesta:

Matriisipohjainen muunnos
Luu-pohjainen transformaatio

Ero on siinä luut vaikuttaa yksittäiseen kärkipisteet. Matriisit vaikuttavat aina kaikkiin piirrettyihin pisteisiin samalla tavalla. Katsotaanpa esimerkkiä.

esimerkki

Aiemmin lataimme identiteettimatriisi ennen kolmio. Identiteettimatriisi on sellainen, joka yksinkertaisesti tarjoaa ei muutosta ollenkaan. Joten, mitä minä piirrän, vaikuttaa vain näkökulmastani. Niinpä kolmiota ei kierretä lainkaan.

Jos haluan kääntää sen nyt, voisin joko tehdä itse matematiikan (CPU: ssa) ja yksinkertaisesti soittaa glVertex3f kanssamuut koordinaatit (joita kierretään). Tai voisin antaa GPU: n tehdä kaiken työn soittamalla glRotatefennen piirustusta:

// Kierrä kolmiota Y-akselilla glRotatef (määrä, 0,0f, 1,0f, 0,0f);

määrä on tietenkin vain kiinteä arvo. Jos haluat elävöittää, sinun täytyy seurata määräja lisää sitä jokaista kehystä kohti.

Joten, odota, mitä tapahtui kaikki matriisikeskustelut aikaisemmin?

Tässä yksinkertaisessa esimerkissä meidän ei tarvitse välittää matriiseista. Soitamme vain glRotatef ja se huolehtii kaikesta meille.

glRotate tuottaa pyörimisen kulma astetta vektorin x y z ympärillä. Nykyinen matriisi (seeglMatrixMode) kerrotaan pyörimismatriisilla, jossa tuote korvaa nykyisen matriisin, koska ifglMultMatrix kutsuttiin seuraavalla matriisilla argumenttina:

x 2 ⁡ 1 - c + cx ⁢ y ⁡ 1 - c - z ⁢ sx ⁢ z ⁡ 1 - c + y ⁢ s 0 y ⁢ x ⁡ 1 - c + z ⁢ sy 2 ⁡ 1 - c + cy ⁢ z ⁡ 1 - c - x ⁢ s 0 x ⁢ z ⁡ 1 - c - y ⁢ sy ⁢ z ⁡ 1 - c + x ⁢ sz 2 ⁡ 1 - c + c 0 0 0 0 1

No, kiitos siitä!

johtopäätös

On selvää, että on paljon puhetta että OpenGL. Mutta se ei kerro meille mitä vain. Missä on viestintä?

Ainoa asia, jonka OpenGL kertoo meille tässä esimerkissä, on kun se on tehty. Jokainen toiminta kestää jonkin aikaa. Jotkut toiminnot kestävät uskomattoman pitkiä, toiset ovat uskomattoman nopeita.

Pisteen lähettäminen GPU: lle tulee olemaan niin nopea, en edes tiedä, miten sitä ilmaisisi. Tuhansien huippujen lähettäminen CPU: sta GPU: hun, jokainen yksittäinen kehys, ei todennäköisesti ole ongelma.

Näytön tyhjentäminen voi kestää millisekunnin tai huonompi (pidä mielessä, että sinulla on yleensä noin 16 millisekuntia aikaa kunkin kehyksen piirtämiseen) riippuen siitä, kuinka suuri näkymä on. Poistaaksesi sen, OpenGL: n on piirrettävä jokainen yksittäinen pikseli, jonka haluat poistaa, mikä voi olla miljoonia pikseleitä.

Muuten voimme vain kysyä OpenGL: ltä vain grafiikkasovittimen ominaisuuksista (maksimi resoluutio, max anti-aliasing, max värisyvyys,…).

Mutta voimme myös täyttää tekstuurin pikseleillä, joilla kullakin on tietty väri. Jokaisella pikselillä on siten arvo ja tekstuuri on jättiläinen ”tiedosto”, joka on täynnä tietoja. Voimme ladata sen grafiikkakorttiin (luomalla tekstuuripuskurin) ja ladata sitten varjostimen, kertoa, että varjostin käyttää tekstuuriamme tulona ja suorittaa joitakin äärimmäisen raskaita laskelmia "tiedostollamme".

Sitten voimme “laskea” laskelmamme (uuden värin muodossa) tuloksen uudeksi tekstuuriksi.

Näin voit tehdä GPU: n toimimaan muilla tavoilla. Oletan, että CUDA toimii samanlaisella tavalla, mutta minulla ei ollut koskaan mahdollisuutta työskennellä sen kanssa.

Olemme todella vain hieman koskettaneet koko aihetta. 3D-grafiikkasuunnittelu on peto härkä.

Kuvan lähde

Onko jotain lisättävää selitykseen? Ääni pois kommenteista. Haluatko lukea lisää vastauksia muilta tech-savvy Stack Exchange -käyttäjiltä? Tutustu koko keskusteluketjuun täällä.