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【原创】Linux环境下的图形系统和AMD R600显卡编程(11)——R600指令集
1 低级着色语言tgsi
OpenGL程序使用GLSL语言对可编程图形处理器进行编程，GLSL语言（以下高级着色语言就是指GLSL）是语法类似C的高级语言，在GLSL规范中，GLSL语言被先翻译成教低级的类汇编语言，然后被翻译成硬件特定的指令集。OpenGL体系管理委员会于2002年6月和2002年9月分别通过了两个官方扩展：ARB_VERTEX_PROGRAM与ARB_FRAGMENT_PROGRAM来统一对低级着色语言的支持，GLSL语言被编译成针对这两个扩展的低级着色语言（因此这两个扩展可以看成是GLSL运行的虚拟机），显卡厂商的驱动将低级着色语言翻译成GPU指令。这两个扩展的1.0版本分别是arbvpl0和arbfpl0，这两个扩展的2.0版本分别是arbvp20和arbfp2。
图1
目前，在Mesa上，GLSL首先被编译器翻译成tgsi中间语言，然后显卡特定的驱动将这些tgsi语言的代码编译成GPU指令，这个过程如图1示（不考虑geometry shader和tesselation shader）。这里有tgsi的详细描述。这篇硕士论文“高级着色语言及其优化编译”对GLSL和低级着色语言有比较详细的论述。
2 R600指令
在CPU上运行的程序，所有的访存指令和运算指令按照代码的堆叠顺序执行（不考虑指令集并行），如果有跳转指令则跳转到相应位置。
GPU主要用于运算，早期的GPU没有包含复杂的控制程序，R600 Shader程序和CPU程序比较显得比较简陋，必须有专门的代码指示程序的执行顺序，并且指示程序运行顺序的指令（Control Flow 指令，后面称为CF 指令）、运算指令（后面称ALU指令）和访存指令（在R600 GPU 中称为Fetch 指令）必须按照类别存放，同一种类型的指令放在一起，不同类型的指令按照某种顺序存放，同一类型的指令（不包括CF指令）构成一个Clause。图2显示了R600 GPU Shader程序在显存中存放的形式。
图2
R600的指令包含Control Flow（后面简称CF）指令，ALU（运算）指令，Vertex Fecth （取顶点）指令和Texture Fetch（取纹理）指令。指令的格式称为Microde Format。
每一个Shader程序（Pixel Shader或者Vertex Shader）包含两部分，一部分是CF指令，另一部分是Clause。 这些Clause由CF 指令初始化（或者不恰当的理解成Clause 由CF指令调用）。R600的每一条指令的格式（为了保持和手册上术语的一致，后面将使用Microcode Format这个词）都包含了2 个或者4个DWORD（CF 和ALU为2个DWORD，Vertex Fetch 和Texture Fetch 为4个DWORD，后面在说地址的时候都是以DWORD为单位的），这些Microcode Format可以在“R600 Family Instruction Set Architecture”手册上查阅到。
下面将使用两个实例来说明R600的指令集。和下面这两个实例等价的GLSL程序大概是这个样子的：
// vertex shader
attribute vec4 a_position;
attribute vec3 a_texture;
varying vec2 v_texCoord;
void main()
{
gl_Position = a_position;
v_texCoord = a_texture;
}
// pixel shader
uniform sample2D sampler;
varying vec2 v_texCoord;
void main ()
{
gl_FragColor = texture2D(sampler, v_texCoord);
}
3 Vertex Shader示例
下面使用一个具体的实例来说明，下面的程序来自我们的R600 EXA驱动的Copy过程的Vertex Shader（请参考后续章节），按照图2的要求，这段程序被分成了两部分，第一部分是CF指令，共四条指令，指令0~指令3（指令3为空指令，用于对齐），第二部分为取顶点指令，共两条指令，指令4~ 指令5，分别用于取顶点位置坐标和纹理坐标。
int R600_copy_vs(RADEONChipFamily ChipSet, uint32_t* shader)
{
int i = 0;
/* 0 指令0 */
shader[i++] = CF_DWORD0(ADDR(4));
shader[i++] = CF_DWORD1(POP_COUNT(0), CF_CONST(0),
COND(SQ_CF_COND_ACTIVE), I_COUNT(2), CALL_COUNT(0),
END_OF_PROGRAM(0), VALID_PIXEL_MODE(0), CF_INST(SQ_CF_INST_VTX),
WHOLE_QUAD_MODE(0), BARRIER(1));
/* 1 指令1 */
shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD0(ARRAY_BASE(CF_POS0), TYPE(SQ_EXPORT_POS), RW_GPR(1),
RW_REL(ABSOLUTE), INDEX_GPR(0), ELEM_SIZE(0));
shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD1_SWIZ(SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), SRC_SEL_Y(SQ_SEL_Y), SRC_SEL_Z(SQ_SEL_Z),
SRC_SEL_W(SQ_SEL_W), R6xx_ELEM_LOOP(0), BURST_COUNT(0), END_OF_PROGRAM(0),
VALID_PIXEL_MODE(0), CF_INST(SQ_CF_INST_EXPORT_DONE), WHOLE_QUAD_MODE(0),
BARRIER(1));
/* 2 指令2 */
shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD0(ARRAY_BASE(0), TYPE(SQ_EXPORT_PARAM), RW_GPR(0),
RW_REL(ABSOLUTE), INDEX_GPR(0), ELEM_SIZE(0));
shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD1_SWIZ(SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), SRC_SEL_Y(SQ_SEL_Y),
SRC_SEL_Z(SQ_SEL_Z), SRC_SEL_W(SQ_SEL_W), R6xx_ELEM_LOOP(0),
BURST_COUNT(0), END_OF_PROGRAM(1), VALID_PIXEL_MODE(0),
CF_INST(SQ_CF_INST_EXPORT_DONE), WHOLE_QUAD_MODE(0), BARRIER(0));
/* 3 指令3*/
shader[i++] = 0x00000000;
shader[i++] = 0x00000000;
/* 4/5 指令4 */
shader[i++] = VTX_DWORD0(VTX_INST(SQ_VTX_INST_FETCH), FETCH_TYPE(SQ_VTX_FETCH_VERTEX_DATA),
FETCH_WHOLE_QUAD(0), BUFFER_ID(0), SRC_GPR(0), SRC_REL(ABSOLUTE),
SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), MEGA_FETCH_COUNT(16));
shader[i++] = VTX_DWORD1_GPR(DST_GPR(1), DST_REL(0), DST_SEL_X(SQ_SEL_X), DST_SEL_Y(SQ_SEL_Y),
DST_SEL_Z(SQ_SEL_0), DST_SEL_W(SQ_SEL_1), USE_CONST_FIELDS(0),
DATA_FORMAT(FMT_32_32_FLOAT), NUM_FORMAT_ALL(SQ_NUM_FORMAT_SCALED),
FORMAT_COMP_ALL(SQ_FORMAT_COMP_SIGNED), SRF_MODE_ALL(SRF_MODE_ZERO_CLAMP_MINUS_ONE));
shader[i++] = VTX_DWORD2(OFFSET(0),
#if X_BYTE_ORDER == X_BIG_ENDIAN
ENDIAN_SWAP(SQ_ENDIAN_8IN32),
#else
ENDIAN_SWAP(SQ_ENDIAN_NONE),
#endif
CONST_BUF_NO_STRIDE(0), MEGA_FETCH(1));
shader[i++] = VTX_DWORD_PAD;
/* 6/7 指令5 */
shader[i++] = VTX_DWORD0(VTX_INST(SQ_VTX_INST_FETCH), FETCH_TYPE(SQ_VTX_FETCH_VERTEX_DATA),
FETCH_WHOLE_QUAD(0), BUFFER_ID(0), SRC_GPR(0), SRC_REL(ABSOLUTE),
SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), MEGA_FETCH_COUNT(8));
shader[i++] = VTX_DWORD1_GPR(DST_GPR(0), DST_REL(0), DST_SEL_X(SQ_SEL_X), DST_SEL_Y(SQ_SEL_Y),
DST_SEL_Z(SQ_SEL_0), DST_SEL_W(SQ_SEL_1), USE_CONST_FIELDS(0),
DATA_FORMAT(FMT_32_32_FLOAT), NUM_FORMAT_ALL(SQ_NUM_FORMAT_SCALED),
FORMAT_COMP_ALL(SQ_FORMAT_COMP_SIGNED),
SRF_MODE_ALL(SRF_MODE_ZERO_CLAMP_MINUS_ONE));
shader[i++] = VTX_DWORD2(OFFSET(8),
#if X_BYTE_ORDER == X_BIG_ENDIAN
ENDIAN_SWAP(SQ_ENDIAN_8IN32),
#else
ENDIAN_SWAP(SQ_ENDIAN_NONE),
#endif
CONST_BUF_NO_STRIDE(0), MEGA_FETCH(0));
shader[i++] = VTX_DWORD_PAD;
return i;
}
上面程序的运行过程如
结合下面这几张图详细描述程序运行的过程。
图3
图4
图5
图3示，初始状态，图中有两个线程，此刻两个线程正在要两个顶点数据进行处理。
- CF指令0， 指令0的ADDR位指示程序从地址4处的指令（指令4）开始运行，I_COUNT位指示共执行2条指令（指令4和指令5），执行完后回到指令0，指令0的END_OF_PROGRAM位表明程序还没有结束，继续执行CF指令1。
- Vertex Fetch Clause，CF的指令0指明程序会从第指令4处开始执行，指令4和指令5构成一个Vertex Fetch Clause，两条指令一起完成取顶点数据，这里是要进行Copy操作，顶点数据包括顶点的位置坐标和纹理坐标。由于是2D操作，因此这里的坐标的有效分量只有两个。 指令4的VTX_INST位表明改指令是一条取数据的指令，从BUFFER_ID为0 的内存处取顶点（FETCH_TYPE）数据，SRC_GPR为索引号所在的源寄存器位置，一次取的数据量为16字节（一个四元向量的大小），取出来的数据被放置在编号为1的寄存器中（DST_GPR），DST_SEL_X(SQ_SEL_X)表明取出来的向量的X分量放置到目的寄存器第一个DWORD位置处，Y分量放置到第二个DWORD（DST_SEL_Y(SQ_SEL_Y)），目的寄存器的第三个DWORD 处被置为0，第四个DWORD 处被置为1（可以使用0，1或者0.5）。指令5和指令4类似，由于所有顶点属性数据已经取完，因此原来存在于GPR0 的地址不再需要，可以覆盖掉。图4。
- CF指令1和指令2，这是两条输出指令，指令所做的工作如图5示，指令1用于输出顶点的位置坐标（TYPE(SQ_EXPORT_POS)），这条指令从GPR1（RW_GPR(1)）中读取数据，将数据输出到Position Buffer 0 中（ARRAY_BASE(CF_POS0)）。输出的时候还有一个Swizzle操作，这条指令的Swizzle操作没有变换向量各个分量。指令1的END_OF_PROGRAM标志表明程序还没有结束，因此继续执行指令2，指令2的END_OF_PROGRAM位表明程序至此结束（后面如果还写有指令将不会被执行）。
4 Pixel Shader示例
/* copy ps --------------------------------------- */
int R600_copy_ps(RADEONChipFamily ChipSet, uint32_t* shader)
{
int i=0;
/* CF INST 指令 0 */
shader[i++] = CF_DWORD0(ADDR(2));
shader[i++] = CF_DWORD1(POP_COUNT(0), CF_CONST(0), COND(SQ_CF_COND_ACTIVE), I_COUNT(1),
CALL_COUNT(0), END_OF_PROGRAM(0), VALID_PIXEL_MODE(0), CF_INST(SQ_CF_INST_TEX),
WHOLE_QUAD_MODE(0), BARRIER(1));
/* CF INST 指令 1 */
shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD0(ARRAY_BASE(CF_PIXEL_MRT0), TYPE(SQ_EXPORT_PIXEL), RW_GPR(0),
RW_REL(ABSOLUTE), INDEX_GPR(0), ELEM_SIZE(1));
shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD1_SWIZ(SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), SRC_SEL_Y(SQ_SEL_Y),
SRC_SEL_Z(SQ_SEL_Z), SRC_SEL_W(SQ_SEL_W), R6xx_ELEM_LOOP(0), BURST_COUNT(1),
END_OF_PROGRAM(1), VALID_PIXEL_MODE(0), CF_INST(SQ_CF_INST_EXPORT_DONE),
WHOLE_QUAD_MODE(0), BARRIER(1));
/* TEX INST 指令 2 */
shader[i++] = TEX_DWORD0(TEX_INST(SQ_TEX_INST_SAMPLE), BC_FRAC_MODE(0), FETCH_WHOLE_QUAD(0),
RESOURCE_ID(0), SRC_GPR(0), SRC_REL(ABSOLUTE), R7xx_ALT_CONST(0));
shader[i++] = TEX_DWORD1(DST_GPR(0), DST_REL(ABSOLUTE), DST_SEL_X(SQ_SEL_X), /* R */
DST_SEL_Y(SQ_SEL_Y), /* G */
DST_SEL_Z(SQ_SEL_Z), /* B */
DST_SEL_W(SQ_SEL_W), /* A */
LOD_BIAS(0),
COORD_TYPE_X(TEX_UNNORMALIZED), COORD_TYPE_Y(TEX_UNNORMALIZED),
COORD_TYPE_Z(TEX_UNNORMALIZED), COORD_TYPE_W(TEX_UNNORMALIZED));
shader[i++] = TEX_DWORD2(OFFSET_X(0), OFFSET_Y(0), OFFSET_Z(0), SAMPLER_ID(0), SRC_SEL_X(SQ_SEL_X),
SRC_SEL_Y(SQ_SEL_Y), SRC_SEL_Z(SQ_SEL_0), SRC_SEL_W(SQ_SEL_1));
shader[i++] = TEX_DWORD_PAD;
return i;
}
这里总共三条指令，其中CF指令0和CF指令1是两条CF指令，TEX指令2是一条取纹理的指令。
指令0表明程序将从addr为2的指令2处开始执行，指令2是一条texture fetch 指令，这条指令根据GPR0中给出的纹理坐标（SRC_GPR(0)，根据前面semantic的配置，被插值的纹理坐标存放在GPR0中）从id号为0的纹理资源中取出纹理值，放入到GPR0中（DST_GPR(0x0)）。
取纹理操作完成后，执行指令1，指令1是一条输出指令，将取到的纹理直接放到Render target 0（ARRAY_BASE(CF_PIXEL_MRT0)）上去。
R600显卡的指令远不止以上这些，读者在理解上面的内容之后，阅读R600指令集手册将不会有太大困难，感兴趣的可以深入进去了解更多的指令。
【原创】Linux环境下的图形系统和AMD R600显卡编程(11)——R600指令集