GPU异步V-Sync技术方案

引用注明>> 【作者：张佩】【原文：www.YiiYee.cn/blog】

2014年中，我在公司内部提交了一个名为“异步Timing”（又名“异步V-Sync”）创新方案，用于解决GPU使用V-Sync同步所导致的问题。但十分可惜的是，Intel的创新审核委员没有通过我的方案，只礼貌性地回了一封感谢邮件。这件事情本来尘埃落定，我已不作多想。但最近很多IT新闻介绍了AMD在今年CES上所展示的一项FreeSync技术，惊喜颇多。我发现AMD的FreeSyn技术所要解决的问题和采取的策略，与我的“异步Timing”的设计方案十分相似。我写作此文，向大家介绍V-Sync的基本概念和产生的问题，以及异步Timing方案的细节。

在计算机图形显示系统中，这几个概念是相互关联的：Timing（时序），V-Sync（垂直同步），Refresh Rate（刷新率）。它们是从同一个地方衍生出的概念：Timing Controller（时序控制器，简称T-Con）经过配置后产生连续的Timing时序，Timing时序决定了何时会产生一个V-Sync中断；显示器每收到一个V-Sync中断，便开始一次显示刷新；显示器每秒刷新的次数就对应了它的Refresh Rate（刷新率）。

GPU使用的T-Con所产生的都是等时 Timing （Isochronous Timing）：即固定频率的Timing，在固定时间间隔内产生一个 脉冲（Pulse），脉冲的上升沿代表将产生一个V-Sync中断。系统必须同步于Timing：显示器在收到V-Sync时进行显示刷新，显卡根据V-Sync进行图形渲染（Render）。

等时 Timing

Timing是显卡设备和输出设备进行同步的关键。等时Timing产生固定频率的脉冲信号，以将显卡的渲染（Render）和monitor的显示（Display）进行同步。但是显卡每次渲染任务的轻重程度是不相等的，根据被处理数据的复杂程度，渲染所耗费的时间长短不一。换句话说：渲染是天然不等时的，而显示器总是等时地刷新内容，二者将因此产生矛盾。

另一方面，很多时候，系统显示静态图像或桌面内容长时间不变，这使得GPU在很长时间内没有新内容可供其渲染，而显示器却一如既往地进行刷新，显示内容却未改变。

等时Timing导致了两个方面的缺点：渲染过程中的FPS（Frames Per Second每秒帧数）损失，显示工程中的电能损失。

FPS损失

显卡的渲染操作要和V-Sync同步，以避免画面的撕裂。假设只有一个Frame Buffer的情况下，平均渲染一个Frame需要1.1 个V-Sync时间。第一个V-Sync到来时当前渲染还没有结束，只能继续占用下一个V-Sync周期。在第二个V-Sync周期，显卡其实只需要0.1时间。但因为渲染必须与V-Sync同步，使得显卡在剩下的0.9时间内不能再使用Frame Buffer以免污染其中未被显示的帧数据。等到第二个V-Sync到来时，显卡提交Frame Buffer内容后，才能安全地继续渲染新的下一帧。在这个示例中，显卡为了与V-Sync同步，它对硬件的使用效率只有11/20（～50%），严重浪费了硬件资源。

在使用单Frame Buffer的情况下，硬件资源的浪费最大接近于1/2。使用Double Frame Buffer或Tri Frame Buffer可改善这种情况：使用Double Frame Buffer配置的最大的浪费接近于1/3，使用Tri Frame Buffer配置的最大浪费接近于1/4。硬件资源的浪费，导致一些Frame的渲染被延迟或丢弃，从而导致FPS损失。

很多3D软件和游戏提供选项让用户禁用V-Sync同步以充分利用硬件的渲染能力。但禁用V-Sync会导致画面撕裂的情况，体验很不好。以Single Frame Buffer为例：

在第二个V-Sync周期内，第一个Frame已经在0.1时间内渲染完成，显卡如果不等待下一个V-Sync中断而继续进行渲染操作，就会把新的内容填入到Frame Buffer中，从而覆盖掉上一次渲染出的一部分内容。在下一个V-Sync到来时，用户看到的就是一个两帧上下重叠的撕裂画面。

能耗损失

和D3D软件追求FPS最大化的情况相反，用户在一般使用电脑时，如使用office软件或浏览网页时，显示内容的更新速度是很慢的，可能几秒或十几秒钟保持桌面内容不变。但LCD显示器并不知道这一点，对于60Hz的固定刷新率而言，显示器会把相同的显示内容每秒钟重复刷新屏幕60次。导致了很大的能耗损失。这种能耗损失是结构性的，如此大的结构性能耗损失，对于移动设备更是十分地致命。

异步 Timing

基于等时Timing的上述缺点，本文将引入异步 Timing。他的核心原理是：显卡完成一帧内容的渲染后，动态产生V-Sync中断通知显示器刷新；动态V-Sync产生后，显卡可以立即渲染新的帧内容，不必有任何的等待；而显示器只在必要时才刷新屏幕，极大地降低了能耗。下图是关系图。

下图描述了异步 Timing的形态，它产生非等时的脉冲信号，每个脉冲表示一个V-Sync的产生。当没有脉冲时，表示显卡还没有渲染出新的帧内容，在此期间，显示器不必刷新。

实现方法

本节提出两种可能的异步 Timing的实现方法。

方法1：动态脉冲

改造当前使用的等时 Timing的控制器（T-Con），让它能够接受外部指令，并在接到外部指令时实时产生一个脉冲，从而产生V-Sync中断。

方法2：特殊通信通道

在显卡和显示器之间建立特殊的数据通道来通知异步V-Sync的产生，可借助现有的数据通道，如DVI/HDMI的I2C Channel，DP的Aux Channel。

异步 TIMING 的频率

异步 Timing没有固定的频率，只有当显卡有渲染好的内容时，才产生一个信号。现实情况下，大多数LCD显示器的电子元器件有漏电的情况，会导致信号衰退，所以需要维持一个最低的屏幕刷新率来抵消信号衰退的影响。可以让显示器提供最小刷新率信息，并由显卡来满足。

显示器端的处理

除了提供最小刷新率信息外，显示器端的改变很少。显示器在收到V-Sync中断时，以原来的逻辑处理新的帧内容。唯一变化是原来等时的V-Sync变成了非等时的。也就是显示器在处理完一帧内容后，等待时间将变得长短不一。

下图中VP是处理一帧内容的全部时间，VDISP是处理可视部分内容的时间，VFP是处理完可视内容后的回扫时间。在等时 Timing中，VFP之后就紧接着是下一帧的VS时间；但异步 Timing中，VFP之后是长短不一的等待时间。