Directx11教程(13) D3D11管线(1)

      从本篇教程开始，我们暂停coding，先来了解一下D3D11的pipeline，这些pipeline不涉及具体的硬件，而是着重于理解能够支持D3D11的pipeline实现。

参考资料：

http://fgiesen.wordpress.com/2011/07/01/a-trip-through-the-graphics-pipeline-2011-part-1/

通过前面的教程，我们知道，要用D3D11画一个三角形，我们需要做以下步骤：

 

 这些步骤最终会在D3D11硬件上执行，从调用D3D11 API到最终在D3D11硬件上执行的大概数据流向图如下所示：

       首先是我们的应用程序(APP), 它通过调用D3D11 API函数，实现创建资源(比如顶点缓冲)，设置状态(比如深度模版状态)，调用drawIndex函数等等。

       D3D runtime会跟踪我们设置的状态，验证函数的参数是否正确，验证shader代码以及shader链接库等等，然后把这些调用的输出传送到driver中UMD，从某种程度上来说，我们可以把D3D runtime看成一个wrapper，它是应用程序和UMD之间的接口。

 

UMD(user mode driver)是指用户模式driver，它其实就是一些动态链接库(dll),完全运行在cpu端，它的主要功能包括：

1、 shader编译

      D3D runtime把shader传输到UMD之前，会做一些验证工作，比如shader代码语法是否正确，设置的sampler数目是否超过最大限制等等。

      在UMD中，shader代码最终会被编译成硬件相关的代码，传输到video memory中，shader参数会被传输到video memory中的const buffer中。

      现在不论AMD还是NV，都是一套驱动支持不同代的显卡，所以shader代码通常先被编译成IR(中间代码),然后再编译成具体硬件相关的shader汇编语言。

2、UMD能实现一定的内存管理功能。

    比如创建纹理，为纹理分配空间等等(UMD管理的内存主要是GPU能够访问的system memory以及CPU能够直接访问的video memory，这些内存都称作remote access memory)。

3、调度system memory和mapped video memory之间的传输。

4、转化应用程序所有的状态以及drawing操作成硬件理解的方式

     一般是通过UMD中硬件抽象层转化为硬件相关的packet，packet类型主要包括硬件寄存器设置packet，drawcall packet等等，然后把packet写入command buffer(或称作DMA buffer),这些buffer先被拷贝到remote buffer，最终会被传送到gpu端的indirect ring buffer。

5、 根据顶点缓冲和索引缓冲创建时候的格式，顶点缓冲和索引缓冲会被UMD直接放入video memory（设置格式为直接创建在video memory中,类似opengl中的vbo）或者延迟载入(创建在system memory中)，在gpu实际读取时候，才传入video memory。

     我们知道，纹理图像通常是线性格式，而在gpu中我们通常使用z tile格式，在UMD中我们并不会进行纹理的地址转化，而是根据传入的参数把特定tile mode传入gpu，gpu会根据tile mode进行纹理的swizzle操作。z order 相关知识可以看wiki页http://en.wikipedia.org/wiki/Z-order_curve

纹理swizzle的知识请参考：http://www.cnblogs.com/mikewolf2002/archive/2012/03/11/2390097.html

      GPU厂商都愿意把更多的功能写入UMD，因为其仅是一个dll，容易调试、可以实现多线程操作（比如一个线程编译shader，一个线程处理纹理），即使UMD崩溃了，也不会引起系统蓝屏，因为它和我们普通的应用程序没有本质区别。

      最后再来了解一个context switch的概念：我们的GPU不是都运行在console上，只对应一个app，可能多个app通过时间片轮换来访问GPU， 这时就涉及到context switch，context switch的时候，我们要保存当前app设置的gpu状态以及执行的gpu数据等，以便os再切换到这个app时候，恢复该app的运行。

   

      KMD( kernel mode driver),是指Kernel模式driver，KMD负责直接和硬件打交道，可能在系统中有多个UMD实例，但KMD只能有一个。一旦KMD崩溃，操作系统可能会出现蓝屏错误，KMD主要功能包括：

1、在多个应用程序使用GPU的情况下，KMD通过slice time分时操作来管理应用程序。

    比如在一个时间片内一个app进行物理内存操作，另一个时间片内另一个app初始化GPU，设置显示模式等，在不同app间切换时，就需要context switch，响应中断等。

2、对版权保护的视频内容，KMD会在player和GPU之间建立特殊的path，防止用户模式的代码dump视频内容。

3、现在KMD都是thin的，它最重要的功能是管理硬件使用的command buffer，分配内存

     UMD使用的remote buffer就是有KMD负责分配的。Indirect ring buffer也是KMD分配的，它位于video memory中，最终会被传输到GPU的command processor单元。

     其中ring buffer是一个环形队列，它的简单实现可以参考：http://fgiesen.wordpress.com/2010/12/14/ring-buffers-and-queues/

下面是我按自己的理解画的一个driver简单示意图，不一定正确，但应该有那么一点意思：

[更正一下，迈克老狼 2012-11-24：上面的图我是根据opengl的driver图画的，对D3D11 还有一个DXGI层，它负责和KMD交互。应用程序把函数传给D3D11 runtime, 它和UMD交互，UMD产生gpu执行的命令，通常是以packet的方式体现。DXGI通常用来处理底层硬件接口，比如D3D11中用的adpater，交换链等，并对它们进行包装，以便应用程序使用，另外我们看到，应用程序也可以直接访问DXGI，比如一些非D3D的程序，通过GDI来画图，就是直接把命令传给DXGI。windows7的driver是Windows display driver model (WDDM)，它可以虚拟gpu资源，对应用程序透明]