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ZFXEngine开发笔记- GPU硬件架构
作者：i_dovelemon
日期：2014 / 8 / 31
来源： CSDN博客
文章： GPU硬件架构
引言
在3D图形学中，可编程渲染管道的出现，无疑是一种创举。在下面的文章中，会向大家简要的介绍现如今的可编程渲染管道中最重要的Vertex Shader和Pixel Shader的硬件架构以及如何使用汇编语言来编写Shader。
Vertex Shader
在硬件上，Vertex Shader中所有的运算都在一个名为vertex arithmetic logic unit(ALU)中进行的。所以，掌握了Vertex ALU的构成方式，我们就能够很轻松的使用汇编语言来操作它。下面是Vertex ALU的结构图：
从上面我们可以看到除了中心的ALU之外，还有很多附属的寄存器，这些寄存器将会用来作为ALU的输入和输出。在上面可以看到有几种不同的寄存器。下面依次来讲解他们的作用，以及如何使用他们。
在最上面的V0到V15这16个寄存器，将会对应于在DirectX中定义的顶点格式描述符或者FVF描述符。在GPU中，每一个寄存器都是128bit的，也就是说，刚好能够容纳4个32位的float型数据，即一个向量。所以，这16个寄存器将会作为Vertex ALU输入寄存器。如何输入，需要我们定义顶点格式，以及在Shader中申明哪一个寄存器接受哪一个向量。怎么理解这句话了？实际上，在我们定义顶点格式的时候，如果大家对DirectX熟悉的话，就会知道，我们会说一个顶点中哪个向量是什么用途的，用D3DUSAGE_NORAL0，D3DUSAGE_POSITION0这样的格式来表示它的用途。所以，同样的，在Shader中，我们可以通过del_normal0, del_position0来申明哪一个寄存器来接受哪一个数据。这样说，应该理解了吧！
除了上面的V0到V15这几个寄存器之外，还存在一些用于接受常量的寄存器。这些寄存器就是上图中右上角的以C开头的寄存器。这些寄存器称为常量寄存器，从这个名字我们就可以知道，在常量寄存器中存储的应该就是常量数据，也就是说Vertex ALU只能够对常量寄存器进行读，没有办法进行写操作。而这些常量寄存器，用于接受我们从应用程序中输入的额外的，会在Vertex Shader中使用的常量数据，比如World Transform Matrix, 将模型坐标变换到齐次裁剪空间的Matrix,或者光源的Position, Color， 某个物体的Material等等。总之，你可能用到的所有常量的数据，都可以通过应用程序来进行设置。当设置好了数据之后，我们就可以简单的直接使用这些数据来完成我们想要完成的工作。
上面介绍的两种寄存器，都是输入对Vertex ALU的输入寄存器。那么Vertex ALU计算的结果该放在什么地方了？
读者可以从上图中看到，在右下方有一排的寄存器。这些寄存器就是ALU的输出寄存器，也就是说ALU的计算结果应该输入到这些寄存器中去。在上面的Color0和Color1分别称为0D0，和0D1寄存器，其中OD0将会保存Vertex Shader中计算出来的顶点的Diffuse Color，而0D1将会保存顶点的Specular Color。但是，并不总是需要这样做。说到底他们都只是寄存器，存放的只是数据而已，如何解释还要靠你自己。也就是说，你可以在这些寄存器中保留其他的值，但最好遵守Shader版本的一些规定。对模型顶点进行的World * View * Projection 变换的结果保存在一个名为oPos的寄存器中。注意这个寄存器，Shader规定了只能够存放变换后的顶点的坐标，而不能用作其他用途。实际上，我们只要按照上面的解释来进行数据的填充，想要在Vertex Shader和Pixel Shader之间沟通，有如下的oT0到oT7这么多个寄存器可供使用。在oT0中，一般会存放顶点对应的纹理坐标，这样就可以将纹理坐标传递到Pixel Shader中去。除了这个之外，剩下的所有的寄存器，我们就可以按照我们想要的来使用他们。如果读者有过HLSL的编写经验，那么就应该知道，在Pixel Shader中可以使用：TEXCOORD0， :TEXCOORD1来申明这些东西，所以这就在硬件上对应了oT1到oT7这些寄存器。
有了输入和输出的寄存器，那么我们还需要在ALU进行计算的过程中，用于临时保存变量的寄存器。这些寄存器在上图中左下角以r开头的这些都是称为临时寄存器，用于接受在Vertex Shader中进行计算的临时数据。
好了以上，就是对Vertex ALU的基本简单介绍。
Pixel Shader
在Vertex Shader中有ALU来处理，那么在Pixel Shader中，同样也有ALU来进行处理。下面是Pixel ALU的硬件架构图：
实际上，它的架构方法和Vertex ALU十分的相似。以c开头的寄存器还是常量寄存器，使用方法同Vertex ALU一样。以r开头的寄存器同样还是临时寄存器，但是有一点不同，r0寄存将要保存在最后计算出来的像素的颜色值，也就是说这是Pixel ALU唯一的一个输出寄存器。 v0和v1，分别对应了在Vertex ALU中的oD0和oD1,你在Vertex Shader中传入了什么数据，那么在Pixel Shader中就用同样的法则来解释他们。
除了上面的这些寄存器之外，就剩下了左边的几个以t开头的寄存器了。你还记得Device->SetTexture这个函数吗？这个函数的申明如下：
HRESULT SetTexture( [in] DWORD Sampler, [in] IDirect3DBaseTexture9 *pTexture);
在DirectX SDK的文档中，这样解释第一个参数：
表示的是采样器的编号，不同的纹理绑定在不同的采样器上面，在可编程渲染管道中，我们通过采样器编号来引用纹理。
也就是说，不同的纹理可以绑定在不同的采样器上，然后在Pixel Shader中进行使用。这就是为什么我们能够实现Multi-texture的原因。
但是，上面的t开头的寄存器，又不仅仅能够做这样使用。还记得在上面的Vertex ALU中，我们曾经说过，在Vertex Shader和Pixel Shader之间进行沟通的方法就是通过oT0-oT7这些寄存器。也就是说，oT0和oT7分别对应了Pixel ALU中的t0到t7（oops!上图并没有t7啊，这个图只是概念上的图，具体有多少个寄存器，需要查看D3DCAPS属性中的介绍）。那么，如果我们在Vertex Shader想要传递一些数据到Pixel Shader中，我们就可以将数据保存在0T1或者其他的寄存器中，然后在Pixel Shader中通过特定的指令来访问这些数据，获取这些数据，从而完成我们需要的工作。
好了，以上就是今天的关于GPU硬件架构的内容。软件工程中的摩尔定律说过，每18个月，计算机硬件性能就会翻新。这说明了硬件的架构方法总是在变化，可能这里的架构并不符合你现在使用的GPU的架构，但是基本的原理和设定还是相同的。
希望通过这篇文章，大家能够对Shader如何进行工作有了一定的理解，希望对大家有一定的帮助！
在此还要说一下，上面只是讲解了GPU的结构，那么如何通过汇编语言来操作GPU和上面的寄存器，也就是有哪些指令?请到MSDN的官网上阅读有关ASM Shader Reference的资料。
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