深入理解Direct3D9(转)

计算机3D图像相关技术的讨论

深入理解Direct3D9(转)

帖子awakening3d » 2014年 4月 16日 16:36

深入理解Direct3D9(转自:http://www.cnblogs.com/effulgent/archive/2009/02/10/1387438.html)

深入理解D3D9对图形程序员来说意义重大,我把以前的一些学习笔记都汇总起来,希望对朋友们有些所帮助,因为是零散笔记,思路很杂,还请包涵。

其实只要你能完美理解D3DLOCK、D3DUSAGE、D3DPOOL、LOST DEVICE、QUERY、Present()、BeginScene()、EndScene()等概念,就算是理解D3D9了, 不知道大家有没有同感。有如下几个问题,如果你能圆满回答就算过关:)。
1、 D3DPOOL_DEFAULT、D3DPOOL_MANAGED、D3DPOOL_SYSTEMMEM和D3DPOOL_SCRATCH到底有何本质区别?
2、 D3DUSAGE的具体怎么使用?
3、 什么是Adapter?什么是D3D Device?HAL Device和Ref Device有何区别?Device的类型又和Vertex Processing类型有什么关系?
4、 APP(CPU)、RUNTIME、DRIVER、GPU是如何协同工作的?D3D API是同步函数还是异步函数?
5、 Lost Device到底发生了什么?为什么在设备丢失后D3DPOOL_DEFAULT类型资源需要重新创建?

在D3D中有三大对象,他们是D3D OBJECT、D3D ADAPTER和D3D DEVICE。D3D OBJECT很简单,就是一个使用D3D功能的COM对象,其提供了创建DEVICE和枚举ADAPTER的功能。ADAPTER是对计算机图形硬件和软件性能的一个抽象,其包含了DEVICE。DEVICE则是D3D的核心,它包装了整个图形流水管线,包括变换、光照和光栅化(着色),根据D3D版本不同,流水线也有区别,比如最新的D3D10就包含了新的GS几何处理。图形管线的所有功能由DRIVER提供,而DIRVER分两类,一种是GPU硬件DRIVER,另一种是软件DRIVER,这就是为什么在D3D中主要有两类DEVICE, REF和HAL,使用REF DEVICE时,图形管线的光栅化功能由软件DRIVER在CPU上模拟的,REF DEVICE从名字就可以看出这个给硬件厂商做功能参考用的,所以按常理它应该是全软件实现,具备全部DX标准功能。而使用HAL DEVICE时,RUNTIME则将使用HAL硬件层控制GPU来完成变换、光照和光栅化,而且只有HAL DEVICE中同时实现了硬件顶点处理和软件顶点处理(REF DEVICE一般不能使用硬件顶点处理,除非自己在驱动上做手脚,比如PERFHUD)。另外还有个一个不常用的SOFTWARE DEVICE,用户可以使用DDI编写自己的软件图形驱动,然后注册进系统,之后便可在程序中使用。

检查系统软件硬件性能。
在程序的开始我们就要判断目标机的性能,其主要流程是:
确定要用的缓冲格式
GetAdapterCount()
GetAdapterDisplayMode

GetAdapterIdentifier //得到适配器描述
CheckDeviceType //判断指定适配器上的设备是否支持硬件加速
GetDeviceCaps //指定设备的性能,主要判断是否支持硬件顶点处理(T&L)
GetAdapterModeCount //得到适配器上指定缓冲格式所有可用的显示模式
EnumAdapterModes //枚举所有显示模式
CheckDeviceFormat
CheckDeviceMultiSampleType
详细使用请参考DX文档。

WINDOWS图形系统的主要分为四层:图形应用程序、D3D RUNTIME、SOFTWARE DRIVER和GPU。此四层是按功能来分的,实际上他们之间界限并不如此明确,比如RUNTIME中其实也包含有USER MODE的SOFTWARE DRIVER,详细结构这里不再多说。而在RUNTIME里有一个很重要的结构,叫做command buffer,当应用程序调用一个D3D API时,RUNTIME将调用转换成设备无关的命令,然后将命令缓冲到这个COMMAND BUFFER中,这个BUFFER的大小是根据任务负载动态改变的,当这个BUFFER满员之后,RUNTIME会让所有命令FLUSH到KERNEL模式下的驱动中,而驱动中也是有一个BUFFER的,用来存储已被转换成的硬件相关的命令,D3D一般只允许其缓冲最多3个帧的图形指令,而且RUNTIME和DRIVER都会被BUFFER中的命令做适当优化,比如我们在程序中连续设置同一个RENDER STATE,我们就会在调试信息中看到如下信息“Ignoring redundant SetRenderState - X”,这便是RUNTIME自动丢弃无用的状态设置命令。在D3D9中可以使用QUERY机制来与GPU进行异步工作,所谓QUERY就是查询命令,用来查询RUNTIME、DRIVER或者GPU的状态,D3D9中的QUERY对象有三种状态,SIGNALED、BUILDING和ISSUED,当他们处于空闲状态后会将查询状态置于SIGNALED STATE,查询分开始和结束,查询开始表示对象开始记录应用程序所需数据,当应用程序指定查询结束后,如果被查询的对象处于空闲状态,则被查询对象会将查询对象置于SIGNALED状态。GetData则是用来取得查询结果,如果返回的是D3D_OK则结果可用,如果使用D3DGETDATA_FLUSH标志,表示将COMMAND BUFFER中的所有命令都发送到DRIVER。现在我们知道D3D API绝大部分都是同步函数,应用程序调用后,RUNTIME只是简单的将其加入到COMMAND BUFFER,可能有人会疑惑我们如何测定帧率?又如何分析GPU时间呢?对于第一个问题我们要看当一帧完毕,也就是PRESENT()函数调用是否被阻塞,答案是可能被阻塞也可能不被阻塞,要看RUNTIME允许缓冲中存在的指令数量,如果超过额度,则PRESENT函数会被阻塞下来,如何PRESENT完全不被阻塞,当GPU执行繁重的绘制任务时,CPU工作进度会大大超过GPU,导致游戏逻辑快于图形显示,这显然是不行的。测定GPU工作时间是件很麻烦的事,首先我们要解决同步问题,要测量GPU时间,首先我们必须让CPU与GPU异步工作,在D3D9中可以使用QUERY机制做到这点,让我们看看Accurately Profiling Driect3D API Calls中的例子:
IDirect3DQuery9* pQueryEvent;

//1.创建事件类型的查询事件
m_pD3DDevice->CreateQuery( D3DQUERYTYPE_EVENT, &pQueryEvent);
//2.在COMMAND BUFFER中加入一个查询结束的标记,此查询默认开始于CreateDevice
pQueryEvent->Issue(D3DISSUE_END);
//3.将COMMAND BUFFER中的所有命令清空到DRIVER中去,并循环查询事件对象转换到SIGNALED状态,当GPU完成CB中所有命令后会将查询事件状态进行转换。
while(S_FALSE == pQueryEvent->GetData( NULL, 0, D3DGETDATA_FLUSH) )
;
LARGE_INTEGER start, stop;
QueryPerformanceCounter(&start);
SetTexture();
DrawPrimitive();
pQueryEvent->Issue(D3DISSUE_END);
while(S_FALSE == pQueryEvent->GetData( NULL, 0, D3DGETDATA_FLUSH) )
;
QueryPerformanceCounter(&stop);

1.第一个GetData调用使用了D3DGETDATA_FLUSH标志,表示要将COMMAND BUFFER中的绘制命令都清空到DRIVER中去,当GPU处理完所有命令后会将这个查询对象状态置SIGNALED。
2.将设备无关的SETTEXTURE命令加入到RUNTIME的COMMAND BUFFER中。
3.将设备无关的DrawPrimitive命令加入到RUNTIME的COMMAND BUFFER中。
4.将设备无关的ISSUE命令加入到RUNTIME的COMMAND BUFFER中。
5.GetData会将BUFFER中的所有命令清空到DRIVER中去,注意这是GETDATA不会等待GPU完成所有命令的执行才返回。这里会有一个从用户模式到核心模式的切换。
6.等待DRIVER将所有命令都转换为硬件相关指令,并填充到DRIVER BUFFER中后,调用从核心模式返回到用户模式。
7.GetData循环查询 查询对象 状态。当GPU完成所有DRIVER BUFFER中的指令后会改变查询对象的状态。

如下情况可能清空RUNTIME COMMAND BUFFER,并引起一个模式切换:
1.Lock method(某些条件下和某些LOCK标志)

2.创建设备、顶点缓冲、索引缓冲和纹理
3.完全释放设备、顶点缓冲、索引缓冲和纹理资源
4.调用ValidateDevice
5.调用Present
6.COMMAND BUFFER已满
7.用D3DGETDATA_FLUSH调用GetData函数

对于D3DQUERYTYPE_EVENT的解释我不能完全理解(Query for any and all asynchronous events that have been issued from API calls)明白的朋友一定告诉我,只知道当GPU处理完D3DQUERYTYPE_EVENT类型查询在CB中加入的D3DISSUE_END标记后,会将查询对象状态置SIGNALED状态,所以CPU等待查询一定是异步的。为了效率所以尽量少在PRESENT之前使用BEGINSCENE ENDSCENE对,为什么会影响效率?原因只能猜测,可能EndScene会引发Command buffer flush这样会有一个执行的模式切换,也可能会引发D3D RUNTIME对MANAGED资源的一些操作。而且ENDSCENE不是一个同步方法,它不会等待DRIVER把所有命令执行完才返回。

D3D RUTIME的内存类型,分为3种,VIDEO MEMORY(VM)、AGP MEMORY(AM)和SYSTEM MEMORY(SM),所有D3D资源都创建在这3种内存之中,在创建资源时,我们可以指定如下存储标志,D3DPOOL_DEFAULT、D3DPOOL_MANAGED、D3DPOOL_SYSTEMMEM和D3DPOOL_SCRATCH。VM就是位于显卡上的显存,CPU只能通过AGP或PCI-E总线访问到,读写速度都是非常慢的,CPU连续写VM稍微快于读,因为CPU写VM时会在CACHE中分配32或64个字节(取决于CACHE LINE长度)的写缓冲,当缓冲满后会一次性写入VM;SM就是系统内存,CPU读写都非常快,因为SM是被CACHE到2级缓冲的,但GPU却不能直接访问到系统缓冲,所以创建在SM中的资源,GPU是不能直接使用的;AM是最麻烦的一个类型,AM实际也存在于系统内存中,但这部分MEM不会被CPU CACHE,意味着CPU读写AM都会写来个CACHE MISSING然后才通过内存总线访问AM,所以CPU读写AM相比SM会比较慢,但连续的写会稍微快于读,原因就是CPU写AM使用了“write combining”,而且GPU可以直接通过AGP或PCI-E总线访问AM。

如果我们使用D3DPOOL_DEFAULT来创建资源,则表示让D3D RUNTIME根据我们指定的资源使用方法来自动使用存储类型,一般是VM或AM,系统不会在其他地方进行额外备份,当设备丢失后,这些资源内容也会被丢失掉。但系统并不会在创建的时候使用D3DPOOL_SYSTEMMEM或D3DPOOL_MANAGED来替换它,注意他们是完全不同的POOL类型,创建到D3DPOOL_DEFAULT中的纹理是不能被CPU LOCK的,除非是动态纹理。但创建在D3DPOOL_DEFAULT中的VB IB RENDERTARGET BACK BUFFERS可以被LOCK。当你用D3DPOOL_DEFAULT创建资源时,如果显存已经使用完毕,则托管资源会被换出显存来释放足够的空间。 D3DPOOL_SYSTEMMEM和D3DPOOL_SCRATCH都是位于SM中的,其差别是使用D3DPOOL_SYSTEMMEM时,资源格式受限于Device性能,因为资源很可能会被更新到AM或VM中去供图形系统使用,但SCRATCH只受RUNTIME限制,所以这种资源无法被图形系统使用。 D3DRUNTIME会优化D3DUSAGE_DYNAMIC 资源,一般将其放置于AM中,但不敢完全保证。另外为什么静态纹理不能被LOCK,动态纹理却可以,都关系到D3D RUNTIME的设计,在后面D3DLOCK说明中会叙述。

D3DPOOL_MANAGED表示让D3D RUNTIME来管理资源,被创建的资源会有2份拷贝,一份在SM中,一份在VM/AM中,创建的时候被放置L在SM,在GPU需要使用资源时D3D RUNTIME自动将数据拷贝到VM中去,当资源被GPU修改后,RUNTIME在必要时自动将其更新到SM中来,而在SM中修改后也会被UPDATE到VM去中。所以被CPU或者GPU频发修改的数据,一定不要使用托管类型,这样会产生非常昂贵的同步负担。当LOST DEVICE发生后,RESET时RUNTIME会自动利用SM中的COPY来恢复VM中的数据,因为备份在SM中的数据并不是全部都会提交到VM中,所以实际备份数据可以远多于VM容量,随着资源的不断增多,备份数据很可能被交换到硬盘上,这是RESET的过程可能变得异常缓慢,RUNTIME给每个MANAGED资源都保留了一个时间戳,当RUNTIME需要把备份数据拷贝到VM中时,RUNTIME会在VM中分配显存空间,如果分配失败,表示VM已经没有可用空间,这样RUNTIME会使用LRU算法根据时间戳释放相关资源,SetPriority通过时间戳来设置资源的优先级,最近常用的资源将拥有高的优先级,这样RUNTIME通过优先级就能合理的释放资源,发生释放后马上又要使用这种情况的几率会比较小,应用程序还可以调用EvictManagedResources强制清空VM中的所有MANAGED资源,这样如果下一帧有用到MANAGED资源,RUNTIME需要重新载入,这样对性能有很大影响,平时一般不要使用,但在关卡转换的时候,这个函数是非常有用的,可以消除VM中的内存碎片。LRU算法在某些情况下有性能缺陷,比如绘制一帧所需资源量无法被VM装下的时候(MANAGED),使用LRU算法会带来严重的性能波动,如下例子:

BeginScene();
Draw(Box0);
Draw(Box1);
Draw(Box2);
Draw(Box3);
Draw(Circle0);
Draw(Circle1);
EndScene();
Present();

假设VM只能装下其中5个几何体的数据,那么根据LRU算法,在绘制Box3之前必须清空部分数据,那清空的必然是Circle0……,很显然清空Box2是最合理的,所以这是RUNTIME使用MRU算法处理后续Draw Call能很好的解决性能波动问题,但资源是否被使用是按FRAME为单位来检测的,并不是每个DRAW CALL都被记录,每个FRAME的标志就是BEGINSCENE/ENDSCENE对,所以在这种情况下合理使用BEGINSCENE/ENDSCENE对可以很好的提高VM不够情况下的性能。根据DX文档的提示我们还可以使用QUERY机制来获得更多关于RUNTIME MANAGED RESOURCE信息,但好像只在RUNTIME DEBUG模式下有用,理解RUNTIME如何MANAGE RESOURCE很重要,但编写程序的时候不要将这些细节暴露出来,因为这些东西都是经常会变的。最后还要提醒的是,不光RUNTEIME会MANAGE RESOURCE,DRIVER也很可能也实现了这些功能,我们可以通过D3DCAPS2_CANMANAGERESOURCE标志取得DRIVER是否实现资源管理功能的信息,而且也可以在CreateDevice的时候指定D3DCREATE_DISABLE_DRIVER_MANAGEMENT来关闭DRIVER资源管理功能。

D3DLOCK探索D3D RUNTIME工作

如果LOCK DEFAULT资源会发生什么情况呢?DEFAULT资源可能在VM或AM中,如果在VM中,必须在系统内容中开辟一个临时缓冲返回给数据,当应用程序将数据填充到临时缓冲后,UNLOCK的时候,RUNTIME会将临时缓冲的数据传回到VM中去,如果资源D3DUSAGE属性不是WRITEONLY的,则系统还需要先从VM里拷贝一份原始数据到临时缓冲区,这就是为什么不指定WRITEONLY会降低程序性能的原因。CPU写AM也有需要注意的地方,因为CPU写AM一般是WRITE COMBINING,也就是说将写缓冲到一个CACHE LINE上,当CACHE LINE满了之后才FLUSH到AM中去,第一个要注意的就是写数据必须是WEAK ORDER的(图形数据一般都满足这个要求),据说D3DRUNTIME和NV DIRVER有点小BUG,就是在CPU没有FLUSH到AM时,GPU就开始绘制相关资源产生的错误,这时请使用SFENCE等指令FLUSH CACHE LINE。第二请尽量一次写满一个CACHE LINE,否则会有额外延迟,因为CPU每次必须FLUSH整个CACHE LINE到目标,但如果我们只写了LINE中部分字节,CPU必须先从AM中读取整个LINE长数据COMBINE后重新FLUSH。第三尽可能顺序写,随机写会让WRITE COMBINING反而变成累赘,如果是随机写资源,不要使用D3DUSAGE_DYNAMIC创建,请使用D3DPOOL_MANAGED,这样写会完全在SM中完成。

普通纹理(D3DPOOL_DEFAULT)是不能被锁定的,因为其位于VM中,只能通过UPDATESURFACE和UPDATETEXTURE来访问,为什么D3D不让我们锁定静态纹理,却让我们锁定静态VB IB呢?我猜测可能有2个方面的原因,第一就是纹理矩阵一般十分庞大,且纹理在GPU内部已二维方式存储;第二是纹理在GPU内部是以NATIVE FORMAT方式存储的,并不是明文RGBA格式。动态纹理因为表明这个纹理需要经常修改,所以D3D会特别存储对待,高频率修改的动态纹理不适合用动态属性创建,在此分两种情况说明,一种是GPU写入的RENDERTARGET,一种是CPU写入的TEXTURE VIDEO,我们知道动态资源一般是放置在AM中的,GPU访问AM需要经过AGP/PCI-E总线,速度较VM慢许多,而CPU访问AM又较SM慢很多,如果资源为动态属性,意味着GPU和CPU访问资源会持续的延迟,所以此类资源最好以D3DPOOL_DEFAULT和D3DPOOL_SYSTEMMEM各创建一份,自己手动进行双向更新更好。千万别 RENDERTARGET以D3DPOOL_MANAGED 属性创建,这样效率极低,原因自己分析。而对于改动不太频繁的资源则推荐使用DEFAULT创建,自己手动更新,因为一次更新的效率损失远比GPU持续访问AM带来的损失要小。

不合理的LOCK会严重影响程序性能,因为一般LOCK需要等待COMMAND BUFFER前面的绘制指令全部执行完毕才能返回,否则很可能修改正在使用的资源,从LOCK返回到修改完毕UNLOCK这段时间GPU全部处于空闲状态,没有合理使用GPU和CPU的并行性,DX8.0引进了一个新的LOCK标志D3DLOCK_DISCARD,表示不会读取资源,只会全写资源,这样驱动和RUNTIME配合来了个瞒天过海,立即返回给应用程序另外块VM地址指针,而原指针在本次UNLOCK之后被丢弃不再使用,这样CPU LOCK无需等待GPU使用资源完毕,能继续操作图形资源(顶点缓冲和索引缓冲),这技术叫VB IB换名(renaming)。

很多困惑来源于底层资料的不足,相信要是MS开放D3D源码,开放驱动接口规范,NV / ATI显示开放驱动和硬件架构信息,这些东西就很容易弄明白了。
awakening3d
网站管理员
 
帖子: 150
注册: 2010年 10月 28日 17:39

回到 学习交流

在线用户

正在浏览此版面的用户:没有注册用户 和 1 位游客

cron