詳解操作系統(tǒng)中GPU、CPU
概述
今天主要介紹一下GPU、CPU和兩者之間的區(qū)別。
1、CPU即中央處理器
CPU( Central Processing Unit, 中央處理器)就是機(jī)器的“大腦”，也是布局謀略、發(fā)號(hào)施令、控制行動(dòng)的“總司令官”。
CPU的結(jié)構(gòu)主要包括運(yùn)算器(ALU, Arithmetic and Logic Unit)、控制單元(CU, Control Unit)、寄存器(Register)、高速緩存器(Cache)和它們之間通訊的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：計(jì)算單元、控制單元和存儲(chǔ)單元
2、GPU即圖形處理器。
GPU全稱為Graphics Processing Unit，中文為圖形處理器，就如它的名字一樣，GPU最初是用在個(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)上運(yùn)行繪圖運(yùn)算工作的微處理器。
為什么GPU特別擅長(zhǎng)處理圖像數(shù)據(jù)呢?這是因?yàn)閳D像上的每一個(gè)像素點(diǎn)都有被處理的需要，而且每個(gè)像素點(diǎn)處理的過(guò)程和方式都十分相似，也就成了GPU的天然溫床。
GPU的構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，有數(shù)量眾多的計(jì)算單元和超長(zhǎng)的流水線，特別適合處理大量的類型統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。但GPU無(wú)法單獨(dú)工作，必須由CPU進(jìn)行控制調(diào)用才能工作。CPU可單獨(dú)作用，處理復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和不同的數(shù)據(jù)類型，但當(dāng)需要大量的處理類型統(tǒng)一的數(shù)據(jù)時(shí)，則可調(diào)用GPU進(jìn)行并行計(jì)算。
兩者區(qū)別：
從根本上說(shuō)CPU和GPU它們的目的不同，且有不同側(cè)重點(diǎn)，也有著不同的性能特性，在某些工作中CPU執(zhí)行得更快，另一工作中或許GPU能更好。當(dāng)你需要對(duì)大量數(shù)據(jù)做同樣的事情時(shí)，GPU更合適，當(dāng)你需要對(duì)同一數(shù)據(jù)做很多事情時(shí)，CPU正好。
然而在實(shí)際應(yīng)用中，后一種情形更多，也就是CPU更為靈活能勝任更多的任務(wù)。GPU能做什么?關(guān)于圖形方面的以及大型矩陣運(yùn)算，如機(jī)器學(xué)習(xí)算法、挖礦、暴力破解密碼等，GPU會(huì)大幅提高計(jì)算效率。
- Cache, local memory： CPU > GPU
- Threads(線程數(shù)): GPU > CPU
- Registers: GPU > CPU 多寄存器可以支持非常多的Thread,thread需要用到register,thread數(shù)目大，register也必須得跟著很大才行。
- SIMD Unit(單指令多數(shù)據(jù)流,以同步方式，在同一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行同一條指令): GPU > CPU。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，CPU擅長(zhǎng)分支預(yù)測(cè)等復(fù)雜操作，GPU擅長(zhǎng)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作。一個(gè)是復(fù)雜的勞動(dòng)，一個(gè)是大量并行的工作。
其實(shí)GPU可以看作是一種專用的CPU，專為單指令在大塊數(shù)據(jù)上工作而設(shè)計(jì)，這些數(shù)據(jù)都是進(jìn)行相同的操作，要知道處理一大塊數(shù)據(jù)比處理一個(gè)一個(gè)數(shù)據(jù)更有效，執(zhí)行指令開銷也會(huì)大大降低，因?yàn)橐幚泶髩K數(shù)據(jù)，意味著需要更多的晶體管來(lái)并行工作，現(xiàn)在旗艦級(jí)顯卡都是百億以上的晶體管。
CPU呢，它的目的是盡可能快地在單個(gè)數(shù)據(jù)上執(zhí)行單個(gè)指令。由于它只需要使用單個(gè)數(shù)據(jù)單條指令，因此所需的晶體管數(shù)量要少得多，目前主流桌面CPU晶體管都是十億以下，和頂級(jí)GPU相差十倍以上，但它需要更大的指令集，更復(fù)雜的ALU(算術(shù)邏輯單元)，更好的分支預(yù)測(cè)，更好的虛擬化架構(gòu)、更低的延遲等等。
另外，像我們的操作系統(tǒng)Windows，它是為x86處理器編寫的，它需要做的任務(wù)執(zhí)行的進(jìn)程，在CPU上肯定更為高效，你想每個(gè)線程的任務(wù)并不相同，基本上難以并行化，完全發(fā)揮不了GPU的長(zhǎng)處。
總結(jié)
總而言之，CPU和GPU因?yàn)樽畛跤脕?lái)處理的任務(wù)就不同，所以設(shè)計(jì)上有不小的區(qū)別。CPU的運(yùn)算速度取決于請(qǐng)了多么厲害的教授。教授處理復(fù)雜任務(wù)的能力是碾壓小學(xué)生的，但是對(duì)于沒那么復(fù)雜的任務(wù)，還是頂不住人多。當(dāng)然現(xiàn)在的GPU也能做一些稍微復(fù)雜的工作了，相當(dāng)于升級(jí)成初中生高中生的水平。但還需要CPU來(lái)把數(shù)據(jù)喂到嘴邊才能開始干活，最終還是靠CPU來(lái)管的。
