Direct3D 10系统（四）

Direct3D 10系统（四）  

作者：David Blythe

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翻译：clayman

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5 Core API and Runtime

         我们把 API 和运行时分为了两个独立，但是完整的部分：核心 API/ 运行时以及着色语言 / 状态管理系统。我们将讲述新运行时中几个比较重要的部分，以及与当前系统相比的变化。

         核心 API 以及运行时作为硬件系统上的一个薄抽象层（ thin abstraction layer ） , 扮演了 low-overhead 的角色。可编程管线的转变和固定功能冗余功能的移除，戏剧性的简化了 API 和运行时。 API 为以下操作提供服务：分配以及修改资源；创建视图状态并把他们绑定到管线的不同部分；创建 shader 并且把他们绑定到管线；控制管线不可编程部分的状态；初始化渲染操作；通过检索统计（ retrieving statistics ）或资源内容，从管线中查询信息。

5.1 StateManagement

         我们要解决的主要问题之一，就是减少应用程序到硬件之间传输指令的端到端的消耗。我们把指令分为两类：分配或释放资源的类型，以及改变管线状态的类型。其中，我们特别关心后者，因为他们在应用程序中将频繁出现。我们使用了一个简单的模型，来把这些指令传递给管线。运行时将为应用程序的指令分配一块内存缓冲。每条通过运行时到驱动的 API 指令，都将转变为特定的硬件指令，并储存到这个缓冲里。当缓冲被填满或另一个操作需要同步渲染状态的时候（ e.g 读取一个渲染目标的内容），整个缓冲就被提交给硬件。

         在过去 10 年的 PC 系统上，运行时模型几乎没变化。我们的目标是在不需要额外处理的情况下，把指令附加到缓冲中。在过去，这显然是不切实际的，因此，我们尽量了解其中的原因，并且寻找和修改设计方案，让我们的模型接近这个目标。

         我们发现在运行时和驱动两方面，都有一些原因，会带来额外的处理。

l          API 和硬件之间的不匹配

l          延迟处理的风格（ deferred processing style ）

l          错误传输应用程序请求

         上面三个原因中，第三个是最容易解决的，只要在应用程序开发者，运行时，驱动，以及硬件提供者之间达成一致，就能极大的改善情况（ e.g 不是 10% 而是数十倍的提高）。

         第二个问题涉及到传统的实现策略：当图元提交到管线时，分辨哪些状态改变是累积的。这样做的优点是可以成批的处理一组状态的改变，同时，相互独立的（非正交的 non-orthogonal ）状态实现可以一起处理，而不是每次处理相关改变中一个独立的状态。他还允许丢弃冗余状态。但是，这些功能都需要占用额外的 CPU 周期来记录改变，并且进行全局控制。非正交的灾难性例子之一，就是纹理绑定的改变，需要重新编译 shader ，以适应新的纹理格式。我们提倡尽可能减少对硬件状态实现的依赖性，把对冗余状态改变的处理，划分到运行时中一个可选的层来处理。

         第一个问题涉及到多种类型的不匹配。重编译 shader 时的正交不匹配 ?? 就是例子之一 (orthogonality mismatches as exemplified by the shader recompile example) ，当然还有很多种其他情况。原因之一与状态改变的粒度（ granularity ）有关。无论 OpenGL 还是以前的 Direct3D 本版，都把状态改变的粒度定义的非常精细（ fine granularity ）， e.g ，改变一个混合因子，或者改变一种采样模式。我们已经进行了许多尝试，努力把状态改变集中到一起，以提高效率，比如，使用 OpenGL 中的显示列表或者 Direct3D 9 中的状态块（ state blocks ）。虽然这些解决方案可以工作的很好，但是，我们选择了一种更简单的方法。丢弃固定管线的冗余功能已经大大减少了总的状态种类数量。通过分析，我们发现当前过细的粒度划分，并没有什么优点，因此，我们把分散的状态组织为了较大的，相关的，不可变的聚合体（ immutable aggregates ）成为 状态对象（ state objects ） 。这样可以建立一个清晰的模型，指明哪些状态应该是独立的，哪些不是，从而减少完全重新装配管线所需的 API 调用数量。我们发现使用了这些新 API 的程序，能提高匹配的准确性。

         Direct3D 10 定义了 5 个状态对象： InputLayout(vertex buffer layout) ， Sampler ， Rasterizer ， DepthStencil ，以及 Blend 。这样的划分，反映了状态逻辑上的关系，如果应用程序需要单独频繁的改变某个独立状态，那么可以进一步对此进行细分。当创建状态对象时，驱动将为此状态创建相应的硬件表示（ e.g ，一组寄存器值），当对象需要绑定到管线时，相应的命令就被复制到命令缓冲中。某些硬件实现可能会在硬件中保留（缓存）状态表示，从而减少把 API 命令转换为硬件命令的代价。

         在第四节中，我们描述了更新管线常量时可能出现的问题。他实际上只是管道故障（ hazards ）中，比较普通的一种。当某个值即将被使用，但之前的值仍在使用时，同样可能导致一些故障。解决这个问题通常使用的方法就是，使用额外的储存空间来保存新值，同时，重定向引用，指向新的缓冲。

         另一种故障发生在从刚写入数据的资源中读取数据时。比如，把之前的渲染目标作为纹理来使用。当进行这样的交换时，要求渲染指令已经执行完毕，同时，所有数据已被写入渲染目标，这样才能从中拾取数据。与前面的描述的更新故障不同， read － after － write 故障更难，或者根本不可能在 API 和运行时中解决。为了避免在这种情况下对管线造成延迟（ stalling ），应用程序在构建时，就应该尽量避免渲染操作需要立即读取之前渲染目标中的数据。

 

5.2 Validation and Error Handing

         部分 API 设计的原则是避免发生错误，或者避免对某些使用频率较低，但代价很大的操作进行错误检查，比如对创建对象进行检查，而不是对使用对象检查。虽然我们对性能的需求，不允许通过 API 对已部署的程序进行过多错误检查。这里，我们的错误检测和报告策略是把错误分为两类，致命和非致命的。在任何版本的运行时中，都会对致命错误进行检测和报告。非致命错误的检测则是通过一个单独的监听层来完成，它对运行时来说是透明的。这个验证层最初是在程序的开发时使用，当部署程序的时候，开发者通常会屏蔽它。为了检测错误，它通常还会寻找和报告 API 的不理想（ non-ideal ）使用类型。可以对这个验证层进行控制，指定他对哪些错误进行探测和报告。

         错误分化的方法确实有一点点模糊（ ambiguity ）：哪些错误总是会被检测，哪些没有被检测出的错误将有怎样的行为？未定义的错误行为稍后可能会转变为一种 unintended but relied upon (defacto) behavior 。再者，如果运行时没有检测出某个特定的错误，那么驱动将忽略性能代价，尽力避免出现灾难性的硬件错误。我们将努力鉴别出这种错误，并且在运行时中对他们进行检测。另外，在渲染时，我们不会进行任何错误检查， e.g ，错误检测将被延迟，直到一个 Draw 命令完成。致命错误保护扩了深度缓冲和渲染目标尺寸不匹配，同时把一个资源绑定到读取和写入操作上，等等，不致命的错误则包括：不匹配的 shader 类型联接（签名），以及数据格式声明不匹配。

         在当前着色编成模型发展的阶段，捕获着色程序运行期间的错误代价是很大的。因此，我们定义了完善的行为，比如，当数组越界时返回 0 ，来获得一致的行为。从长远来看，硬件将会支持异常机制。