一種GPU顯示關(guān)鍵性能指標(biāo)的測(cè)試方法

吳蓬勃

摘要：本文針對(duì)GPU顯示中的幀率、三角形生成數(shù)量和像素填充率、顯存帶寬關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，采用非常成熟的OpenGL圖形開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行測(cè)試方法研究，該方法具有通用的特點(diǎn)，能夠?yàn)镚PU的選型提供測(cè)試指標(biāo)支撐。

關(guān)鍵詞：像素;GPU

中圖分類(lèi)號(hào)： TP18? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）08-0218-03

GPU（Graphics processing unit） 又稱(chēng)圖形處理器， 作為處理圖形的運(yùn)算器，主要面向二維、三維圖形的幾何變換、渲染、紋理映射、視頻流編碼與解碼等所涉及的計(jì)算，用于處理和繪制各種圖畫(huà)。具有非常成熟的OpenGL 和DirectX. GPU編程庫(kù)接口，應(yīng)用于例如視頻編解碼、天氣預(yù)報(bào)和通用計(jì)算等很多領(lǐng)域。相關(guān)的顯示性能指標(biāo)主要包括有：FPS即幀率、三角形生成數(shù)量和像素填充率。本文介紹了一種基于OpenGL的開(kāi)放式圖形庫(kù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的3D齒輪和矩形條繪制進(jìn)行幀速率測(cè)試、三角形生成數(shù)量和像素填充率測(cè)試的方法，對(duì)于GPU的性能測(cè)評(píng)、推薦使用具有很重要的意義。

1 相關(guān)顯示性能指標(biāo)

1.1 幀率

幀率即FPS：指的是每秒鐘傳輸?shù)膸瑪?shù)。代表圖形處理器每秒鐘能夠更新的幀數(shù)，是GPU重要的性能指標(biāo)之一，間接反映GPU的主頻，高的幀率可以得到更流暢、更逼真的動(dòng)畫(huà)。

1.2 三角形生成率

三角形生成率即每秒鐘可以生成的三角形數(shù)量，由于3D圖像的繪制是通過(guò)三角形建立3D模型，然后再著色處理的，其組成的三角形數(shù)量直接影響到重現(xiàn)后物體外觀的逼真性。GPU性能優(yōu)異的主要指標(biāo)之一是“每秒鐘可以生成個(gè)三角形數(shù)量的個(gè)數(shù)”。每秒生成三角形的數(shù)量越多，越能在保障顯示幀率的前提下為物體模型建立更多的三角形，3D模型的分辨率越高。

1.3 顯存帶寬

顯存帶寬是顯卡圖形顯示性能和速度的重要指標(biāo)之一，高顯存帶寬會(huì)帶來(lái)高分辨率的顯示、高色彩逼真度和更流暢的3D圖形畫(huà)面。在實(shí)際情況下，目前顯示芯片的性能高，其處理能力很強(qiáng)，只有大帶寬才能保障足夠的數(shù)據(jù)輸入和輸出。

顯存帶寬跟顯卡的顯存速度和顯存架構(gòu)有關(guān)，是目前決定顯卡圖形顯示性能和速度的重要因素之一，在工作頻率一定的情況下，顯存位寬的大小決定了顯存帶寬的大小。

2 總體測(cè)試思路介紹

OpenGL是美國(guó)SGL公司為其圖形工作站開(kāi)發(fā)的、獨(dú)立于窗口操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境的圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境。是一個(gè)便于調(diào)用、功能強(qiáng)大的底層3D圖形函數(shù)庫(kù)。適用于從普通PC機(jī)到大型圖形工作站等各種計(jì)算機(jī)，已成為占據(jù)主導(dǎo)地位的跨平臺(tái)專(zhuān)業(yè)3D圖形應(yīng)用開(kāi)發(fā)包，成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

與GPU幀速顯示有關(guān)的因素有顯存帶寬、操作系統(tǒng)等，本方法是只是針對(duì)同一種配置下的應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

采用基于OpenGL的開(kāi)放式圖形庫(kù)進(jìn)行單位三角形繪制，利用函數(shù)繪制一個(gè)長(zhǎng)矩形條，矩形條按每次22.5°（360/16）旋轉(zhuǎn);同時(shí)用單位三角形去填充長(zhǎng)矩形條，求得長(zhǎng)矩形條旋轉(zhuǎn)一周后（此時(shí)三角形也填充完畢）所需時(shí)間，從而獲得單位時(shí)間填充的三角形生成數(shù)量。

通過(guò)OpenGL繪制標(biāo)準(zhǔn)圖形，計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)繪制標(biāo)準(zhǔn)圖形的次數(shù)，計(jì)算每秒鐘繪制的次數(shù)即為幀率，多次計(jì)算求得算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)繪制的標(biāo)準(zhǔn)三角形的數(shù)量作為三角形生成率。同時(shí)通過(guò)測(cè)試單位時(shí)間內(nèi)GPU與顯存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，即為顯存帶寬。

最后通過(guò)對(duì)測(cè)試獲得所得的幀率、三角形生成率、顯存帶寬分?jǐn)?shù)，依據(jù)應(yīng)用需求側(cè)重點(diǎn)確定相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)加權(quán)求和獲得最終的GPU性能得分，進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)。

3 測(cè)試方法

3.1齒輪的繪制

利用opengl的函數(shù)通過(guò)輸入齒輪的Inner_radius（內(nèi)部半徑大小）、outer_radius（外部半徑大小）、width（寬度）、teeth（齒輪大小）、deepth（齒輪高度）分別畫(huà)該齒輪的正面，畫(huà)齒的前側(cè)，畫(huà)齒的背面，畫(huà)齒的外側(cè)，最后繪制齒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而完成整個(gè)齒輪的繪制。

初始化此輪的內(nèi)外半徑寬度、齒數(shù)和齒輪的深度，并初始化齒輪的陰影模式和法線，完成各個(gè)面的繪制。檢查開(kāi)始畫(huà)的齒數(shù)、通過(guò)opengl庫(kù)函數(shù)循環(huán)的畫(huà)出齒輪。

3.2幀速率測(cè)試

圖形處理單元作為處理圖形的運(yùn)算器主要作用在于處理和繪制各種圖畫(huà)。而幀率作為測(cè)試GPU性能的一個(gè)重要指標(biāo)，代表圖形處理器處理場(chǎng)時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。

本策略通過(guò)繪制轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪，每次繪制齒輪算一幀，計(jì)算5S時(shí)間內(nèi)繪制的幀數(shù)，從而求得幀率，通過(guò)多次計(jì)算求得算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。通過(guò)不斷的調(diào)用opengl函數(shù)來(lái)畫(huà)齒輪，并且利用計(jì)時(shí)器每五秒計(jì)算一次幀率。

當(dāng)然，與GPU幀速顯示有關(guān)的因素還有顯存帶寬、操作系統(tǒng)等，本方法是只是針對(duì)同一種配置下的應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

3.3 三角形生成數(shù)量

三角形生成數(shù)量測(cè)試GPU每秒鐘可生成多少萬(wàn)個(gè)三角形，或每秒可處理多少三角形。

利用函數(shù)繪制一個(gè)長(zhǎng)矩形條，矩形條按每次22.5°（360/16）旋轉(zhuǎn);同時(shí)用單位三角形去填充長(zhǎng)矩形條，求得長(zhǎng)矩形條旋轉(zhuǎn)一周后（此時(shí)三角形也填充完畢）所需時(shí)間，從而獲得單位時(shí)間填充的三角形生成數(shù)量，并根據(jù)三角形的大小進(jìn)行像素填充率計(jì)算測(cè)試，算法流程圖如圖4。

3.4 顯存帶寬

顯存帶寬指GPU與顯存間數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩訫B/sec為單位。通過(guò)GPU與顯卡緩存之間的讀寫(xiě)，獲取讀寫(xiě)速度。

顯存帶寬與顯卡的顯存位寬、顯存架構(gòu)和顯存速度有關(guān)，顯存位寬是指一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳送數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)的位數(shù)，位數(shù)越多，傳輸效率就越高。在工作頻率一定時(shí)，顯存位寬的大小與顯存帶寬的大小有直接的關(guān)系。足夠大的顯存帶寬才能帶來(lái)更高分辨率、更逼真（32位）和更流暢（高刷新速度）的3D畫(huà)面。在實(shí)際情況下，如果一塊圖形芯片處理能力強(qiáng)大， 但由于顯存帶寬不高時(shí)， 將會(huì)極大地影響其顯示性能， 顯存將限制其無(wú)法達(dá)到預(yù)定的處理能力。目前顯示類(lèi)芯片的顯示性能很高，處理能力也比較強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上，只有獲得較大的顯存帶寬才能保障其有足夠的數(shù)據(jù)輸入和輸出。隨著多媒體、3D顯示渲染等對(duì)硬件技術(shù)指標(biāo)越來(lái)越高的要求，相對(duì)于GPU，較低的顯存帶寬已經(jīng)成為制約顯卡性能的瓶頸。

該測(cè)試函數(shù)通過(guò)進(jìn)行顯卡地址數(shù)據(jù)的讀、寫(xiě)，根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)顯存的讀寫(xiě)帶寬。其讀寫(xiě)顯存帶寬測(cè)試流程方法分別如圖6所示。

4 結(jié)論

該方法具有簡(jiǎn)單、通用、有效易行的特點(diǎn)，當(dāng)然，與GPU幀速顯示有關(guān)的因素還有顯存帶寬、操作系統(tǒng)等，本方法是只是針對(duì)同一種配置下的應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，能夠?yàn)镚PU的選型提供測(cè)試指標(biāo)支撐，實(shí)用價(jià)值高。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】