GPU随想——概论

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作者：wc（来自豆瓣）
来源：GPU随想——概论

（胡写闲聊，难免有错，欢迎赐教，随时有停更危险……）
当今主要机器部件：CPU、GPU、存储器。总线（如PCIe）作桥梁。
CPU作主控，GPU受控，从某种角度来看似乎可看作一种高级“协处理器”。
GPU常用于多媒体（media）、图形（graphics）、通用计算（GPGPU）的加速。
特定的数字系统还可能装有其他类型的处理器，如DSP（digital signal processor，数字信号处理器。数字信号处理专用芯片，根据处理内容的特性（卷积），增加了多个MAC（加乘运算单元 ），采用哈佛结构提升处理速度）等。
计算机的组成分为两部分：协议与实现。
图形API上喜闻乐见的两大阵营：OpenGL与Direct3D。Vulkan为AMD Mantle的后裔，可视为OpenGL的后续版本，与DirectX 12对标，削减驱动层（的功能），将其部分动作交给程序员自行处理，偏低层，重性能。不过玩儿不好的话……
OpenGL的常见开源实现为mesa3d（类似的有，PCIe specs与各厂家的具体实现；语言中的接口interface，其上调用行为不变、其下实现按需变更），此项目由Brian Paul在93年带头开发。
由于OpenGL（ES）、Vulkan本质只是协议，实现多种多样，需要约束其具体执行行为。因此有了测试套件（VK-GL-CTS，Khronos Vulkan, OpenGL, and OpenGL ES Conformance Tests），从而保证行为一致、彼此兼容。
OpenGL ES 1/2/3为OpenGL的子集，便于在资源有限的平台（如移动平台）上实现。
软光栅器即光栅化过程均执行在CPU上，所谓“硬件加速”即光栅化过程跑在GPU上。
现实世界可看作是连续（模拟）的，而现今处理信息的硬件大多是离散的（数字（系统）），矛盾因此诞生！

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3D硬件加速（简化步骤）：应用->调用OpenGL(mesa实现OpenGL，将应用调用的API转换为GPU原生（本地）指令)->DRM（[linux/drivers/gpu/drm，DRM，Direct Rendering Manager，直接渲染管理器] Linux内核环境下的GPU驱动，将指令转交给GPU、实现存储器间的调度等）->GPU执行指令，向显示器反馈结果。


化简的流程。嗯，中间貌似缺了些什么？那就对了，说明你对这块儿理解较深，嘻嘻嘻……
从上图来看，我认为把mesa视作图形驱动栈的一部分也未尝不可，只不过它是用户空间中的一个转换层。根据OpenGL的协议规定用户的操作（API的调用），再将其转换为GPU可执行的本地指令。图形驱动与其他硬件驱动还是有一定的差异，大多数外设驱动如USB、PCI总线等等（CPU管控制，驱动就是操作系统，如果是简单的嵌入式，可以将简单的控制程序烧至ROM；其他硬件都是通过总线与其相连，为了令CPU可以控制他们，就要根据其特异性编写“嵌入”操作系统的特殊程序：驱动程序，也就是描述如何令CPU与之交互），这些协议的关键都在传输上面，而图形处理上则赋予用户一定的灵活性，令用户可以针对GPU进行编程（跑着色器shader等等），所以就要更复杂（归根结底还是GPU核心的可编程流水线造成的），因而除了传输指令这个流程以外，还要用mesa层来将用户应用关乎图形的动作翻译为GPU指令。

mesa3d主要分为两大体系，传统（class）的mesa与后来新添的gallium。后者主要在架构上做了解耦，使新驱动加入进来更灵活。因此，新驱动一般都加入gallium。传统的mesa驱动主要针对OpenGL，各部结合的过于紧密，牵一发而动全身。（有意思的是，gallium早期的发起者是Tungsten Graphics，后被VMware收购，于是后来在VMware虚拟机里就能开启OpenGL的主机硬件加速了（也就是我现在用的家伙什），而且还有了自己的虚拟GPU。被收购一年后，Tungsten Graphics的联合创始人Jens Owen 从VMware出来，又和他人联手创建了LunarG！）
考虑到开源程度，主要讨论Intel与AMD系（So, NVIDIA FUCK YOU!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（山））。

Intel：Intel Open Source Technology Center  [Intel Open Source Technology Center]      
释出了GPU specs（Programmer's Reference Manuals (PRM)）。这里仅讨论skylake架构。

AMD：Developer Guides, Manuals & ISA Documents
相对于Intel，AMD就显得没那么有诚意了，文档显得没有那么完整。而且，AMD的文档是递进式的，R5xx_Acceleration_v1.5最详细，后面基本以diff前一代体系的方式来写，看起来有点麻烦。最新相对完整（指《3D/Compute Register Reference Guide（寄存器指北）》、《Instruction Set Architecture（简记作ISA，指令集体系）》和《Acceleration（programming guide，编程手册）》三档齐全）的体系文档是 Sea Islands（海岛，为区别其前代Southern Islands（SI，南方群岛）常简记作CIK。但两者共享同一《Radeon Southern Islands Acceleration》编程手册）架构，因此就围绕此分析。

这两系GPU基本可以代表核显与独显进行讨论。根据Intel的动作，有可能再出独显，拭目以待……

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其内容现在包罗万千，src文件夹简介（可参考Mesa source code tree overview与《Mesa Documentation》。热心提示：开源文档时效性是个严重问题，具体情况请结合具体代码，下同）：

src/amd：亮点是vulkan文件夹下的RADV（Radeon Vulkan Driver）驱动，由开源贡献者针对AMD硬件所写的vulkan驱动，根据phoronix的评测，该驱动性能不俗（phoronix针对linux环境下的硬件进行评测，在显卡驱动评测这块做的很有特色，也能从中找到许多关于linux开发（包括mesa在内）的信息）。主要开发者为airlied、BNieuwenhuizen等人。

src/broadcom：博通开发的VideoCore是一款多媒体处理器，其中有3D加速引擎（V3D）。第4代产品VideoCore IV（简记作VC4）基于tiled渲染（tiled-base rendering，基于图块渲染）。结合src/gallium/drivers/v3d/，src/gallium/drivers/vc4/，再配合《VideoCore IV 3D Architecture Reference Guide》文档，相信会让你对tiled-base渲染的理解更进一层。现由离开Intel到博通的 Eric Anholt 主要实现。

src/compiler：转译几种着色器IR（Intermediate representation，中间语言）的编译器。

src/glx：glx库的实现，借此创建OpenGL上下文，并令OpenGL与X窗口系统相绑定。

src/EGL：mesa实现的EGL接口。简单来讲，EGL负责OpenGL与操作系统中窗口系统的交互，如创建OpenGL的context（上下文）、创建交换链等等。其功能与Linux平台下的GLX、Windows下的WGL相似。只不过它抽象出一层与具体系统无关的接口，供用户跨平台统一调用。

src/freedreno：针对高通 GPU Adreno，通过逆向工程手段制作的开源驱动。
（src/freedreno，src/broadcom应与Gallium3D中的对应驱动配合使用，前两者孤立出来是可供其他部分公共使用）

src/gallium：架构较新的驱动Gallium3D的源代码。
        src/gallium/auxiliary：七零八碎的工具，如远程调试，中间语言转换，某些驱动的辅助函数，甚至  
与系统有关的开辟内存（alloc memory）、管理线程等等。
        src/gallium/docs：文档喽~
        src/gallium/drivers：提供多种平台的驱动层。仅举几个关键的来说：freedreno（逆向工程的高通  
Adreno开源驱动，目前已写到a2xx至a6xx）；i915（针对Intel i915系与i945系芯片组的所写的驱动，由于维护不善，i965系芯片组的驱动“暂时”被取消（2011就被取消了……mesa里的i965系通常代指i965系及其后续款式。而linux内核中的drm却只有915，并直接指代所有Intel芯片组）。因此要看i965驱动还是mesa class）；llvmpipe（一种软光栅，借助LLVM编译器在运行期间生成CPU执行的代码。可根据平台利用SSE指令集加速）；nouveau（逆向的nvidia驱动）；panfrost（逆向的ARM mali驱动，包括Midgard与Bifrost系。类似的工程还有mesa lima）；r300（AMD/ATI r300/r400/r500系GPU驱动）；r600（AMD/ATI r600/r700/Evergreen/Northern Islands系GPU驱动）；radeonsi（AMD Southern Island系GPU驱动）；softpipe（一款软光栅器，速度慢却精度高）；swr（即OpenSWR，Intel贡献的开源软光栅器，可根据具体机型运用AVX、AVX2与AVX512指令集加速，速度快，常用于科学方面的可视化计算）；v3d/vc4：博通VideoCore开源驱动。      
         src/gallium/state_trackers：gallium的OpenGL状态追踪器（state tracker）现位于src/mesa/state_tracker（据文档称，后面可能会移走）；clover（OpenCL的一个实现）；nine（很有意思！）；osmesa（离屏渲染状态追踪器）；va（即va-api，video acceleration，视频加速状态追踪器）；vdpau（即Video Decode and Presentation API for Unix，视频解码和显示状态追踪器）；

src/intel：亮点是针对Intel GPU的开源Vulkan驱动，ANV。该项目由Intel的Jason Ekstrand主导。

src/mapi：OpenGL/ES1/ES2函数的映射工具。

src/mesa：传统mesa的文件夹。
        src/mesa/drivers：mesa的驱动。主要分为三类：X11、osmesa、dri。osmesa为离屏渲染驱动。dri：i915（Intel i915/i945(/i830)系芯片组GPU驱动）；i965（Intel i965系芯片组GPU驱动）；nouveau（逆向出的NVIDIA开源驱动）；r200（ATI R200系GPU驱动）；radeon（TI R100系GPU驱动）；swrast（mesa的传统软光栅器的驱动）。
        src/mesa/main：mesa OpenGL状态管理。OpenGL不是状态机嘛，这层根据参数与当前环境（状态）等，将用户调用的API转换为适当上下文，传递给下层的驱动（src/mesa/drivers）。
        src/mesa/math：图形学中常会用到的一些数学变换或数据类型（矩阵、向量）的转换。
        src/mesa/program：与顶点着色器、片段着色器有关的GLSL编译器代码。
        src/mesa/state_tracker：gallium的OpenGL状态追踪器（怎么跑这儿来了……）。
        src/mesa/swrast：传统mesa的软光栅。可用于绘制点、线、三角形、位图、图片等等。详见文件夹中的NOTES文件。
        src/mesa/swrast_setup：用于粘合软光栅（src/mesa/swrast）与软T&L（src/mesa/tnl）的模块。详见其中的NOTES文件。
        src/mesa//tnl：tnl即transformation 'n lighting（变换与光照）。此模块功能为实现“软”变换与光照（即在CPU上计算）。详见文件夹中的NOTES文件。
        src/mesa/tnl_dd：利用硬件驱动处理tnl的代码。（dd->device driver）
        src/mesa/vbo：用于处理vbo（vertex buffer object，顶点缓冲区对象）的有关代码。
        src/mesa/x86-64：针对64位x86系统进行优化的代码及汇编代码。
        src/mesa/x86：针对32位x86系统进行优化的代码及汇编代码。

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其实分析某个事物的的内部原理就是从其工作流程入手。
mesa也逃不出这个套路。
来回忆一下编写OpenGL程序的过程吧~
代码还没写，先冒出来个问题：怎么才能在程序中调用OpenGL库呢？
前面提到OpenGL只是一个跨平台协议，它的实现多种多样，运行的平台也是五花八门。而每个平台都有各自的图形窗口系统来管理用户与机器的交互。这样，就变成了首先要解决这两个问题。
接下来就轮到OpenGL的辅助工具登场了，按上述需求大约分为两个大类，
辅助创建窗口，并关联OpenGL与窗口的库，如：GLFW（推荐用此库，支持Vulkan，已更新至3.3），FreeGLUT、GLUT（太旧）等。
加载OpenGL库的库（有点儿绕），如：GLEW（仅针对OpenGL API），glad（支持OpenGL全家桶），GL3W等。
稍微完整的目录可以参见：
http://khronos.org维基上的《OpenGL Loading Library》、《Portal:Development Tools》或
http://opengl.org上的《GLUT and OpenGL Utility Libraries》。
可参见文章《GPU随想——OpenGL辅助工具》

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参考文献
The Mesa 3D Graphics Library，mesa官网
The Mesa 3D Graphics Library latest documentation，gallium文档
openswr.org，Intel OpenSWR官网
x.org，X11的一种常用实现
Wayland，Wayland协议，有望成为X11的竞争、代替者
wikipedia.org，不解释，当概述文件很棒……
zale_lzj《mesa源码阅读笔记》，未完成，Windows平台
shoemaker《Linux环境下的图形系统和AMD R600显卡编程》，主要围绕EXA驱动
Litherum《Design of Mesa》，凌乱
igalia.com，有些不错的东东
Stéphane Marchesin《Linux Graphics Drivers: an Introduction》Linux图形驱动概述

2019/5/9:  王柏生《深度探索Linux操作系统》一半篇幅都在讨论linux下的图形子系统，如果作者把后半部分扩写成一本书，我也就不用写这堆东西了……
Mark J. Kilgard《OpenGL Programming for the X Window System》分析OpenGL与X的关系很透彻！缺点是略有过时。
Graham Sellers / Richard S Wright Jr. / Nicholas Haemel《OpenGL Superbible: Comprehensive Tutorial and Reference》宝典不解释……
John Kessenich/Graham Sellers/Dave Shreiner《OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL》板儿砖……
LearnOpenGL-CN，网上流行的一个OpenGL教程。
khronos.org
opengl.org
opengpu.org
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