The Beauty of DirectX 11 --- constant buffer, buffered/structure buffer

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Constant Buffer

         Constant buffer(cb)是DX10中引入的概念，它取代了DX9时代GPU常量寄存器的概念，允许通过一块大小可变的buffer向shader提供常量数据，而不是之前数量非常受限的n个寄存器，这也是我们遇到的第一种可在shader着色阶段由HLSL访问的资源。 管线的每个可编程阶段都能同时访问一个或者几个cb，对于shader代码来说，cb中的数据都是全局常量，作为cb而创建的资源不能绑定到其他*类型*的管线位置，但同一个cb可以同时绑定到管线的多个不同阶段。

 

         虽然cb与DX中shader constant的用法几乎一样，但要特别注意，cb中的数据总是作为一个整体被提交给GPU，这意味着即使cb中只有一个变量改变了，也必须重新提交整个cb。因此，所有关于DX10/11的文章都会强调不要把所有变量都放到一个cb中，而是按照变量改变的频率来组织变量，以尽量减少带宽消耗。比如，把viewMatrix,viewProjMatrix,eyePosition,sunVector等per-frame数据放到cb0中，只要每帧渲染前更新一次即可；把worldMatrix，localLight，objectColor等作为per-object参数放到另外一块cb中，每次渲染物体时更新。游戏总是以每秒30fps以上的速度运行，并且每帧需要渲染大量物体，因此，合理组织cb非常重要！

 

         创建cb的代码和上一次创建vertex buffer的代码类似，大部分参数的用途也一致，选择合适的枚举，以获得最好性能。有三点需要注意的地方，1. cb中的数据结构应该直接对应着HLSL中的数据结构，这样更新cb时，只需要直接复制数据即可；2. cb的大小必须是16byte的n倍(n个float4大小)；3. cb的bind flag只能是D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER，不能与其他位标记组合使用。使用cb时，不需要resource view，可以直接绑定到管线。

 

         因为cb是shader直接可访问的资源，在HLSL中，用以下语法声明cb：

cbuffer Tramsform
{
    matrix worldMatrix;
    matrix worldViewProjMatrix;
    matrix bones[ 26];
}

cbuffer View
{
   float3 eyePosition;
   matrix viewMatrix;
}

 

 

          用 cbuffer 关键字声明 cb ， cb 的名称一般对 HLSL 没太多用处，而是让 C++ 应用程序端来识别特定 cb 。可以通过 shader reflection API 获得每个 cb 中的数据结构信息，在介绍 HLSL 的部分会详细讨论。

 

Buffer/Structured Buffer Resource

         接下来的一种资源，根据所保存的数据类型不同，又分为standard(buffered) buffer resouce(扭曲的名字)和structured buffer resource。两者都是类似数组的结构，区别在于BBR的元素是普通内置类型，比如float4，而SBR的元素则是自定义的结构。之所以要做区分，原因是底层在处理数据映射到HLSL时的方式稍有不同。这种类型的buffer特别适合于shader需要访问大量数据的情况。也是目前为止第一种需要通过resource view绑定到管线的资源。所有可编程shader阶段都可访问b/s buffer，在pixel shader和computer shader中还允许写入操作。通过不同的resource view来控制b/s buffer的可访问性，比如shader resource view, unordered access view或者两者一起使用，任何shade都可以使用shader resource view标志，而unordered access view则只能对ps和cs使用。当b/s buffer为只读时，可以同时绑定到管线的多个阶段；允许写入时（使用了uav标志）则只能绑定到一个位置。

 

         B/S buffer有三种典型的用途，第一种，用来保存静态数据，比如预计算的辐射传播(PRT)数据；第二种，运行时，由CPU计算出的数据，比如很多涉及到GPGPU的算法；最后一种则是由GPU计算填充的数据，比如由GPU计算的物理模拟结果。创建b/s buffer时，通常根据这三种用途，选择合适的访问参数。对于structured buffer来说，除了指定buffer大小之外，还需要提供每个结构的大小。以下是创建structured buffer的代码：

 

ID3D11Buffer* CreateStructuredBuffer( uint count, uint structSize, bool CPUWritable, bool GPUWritable,D3D11_SUBRESOURCE_DATA* pData)
{
         D3D11_BUFFER_DESC desc;
         desc.ByteWidth = count * structSize;
         desc.MiscFlags = D3D11_RESOURCE_MISC_MUFFER_STRUCTURED;
         desc.StructureByteStride = structSize;

          if(!CPUWritable && !GPUWriteable)
         {
             desc.BindFlags = D3D11_BIND_SHADER_RESOURCE;
             desc.Usage = D3D11_USAGE_IMMUTABLE;
             desc.CPUAccessFlags =  0;
         }
         else  if( CPUWritable && !GPUWritable)
         {
             desc.BindFlags = D3D11_BIND_SHADER_RESOURCE;
             desc.Usage = D3D11_USAGE_DYNAMIC;
             desc.CPUAccessFlags = D3D11_CPU_ACCESS_WRITE;
         }
         else  if( !CPUWritable && GPUWritable )
         {
             desc.BindFlags = D3D11_BIND_SHADER_RESOURCE | D3D11_BIND_UNORDERED_ACCESS;
             desc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
             desc.CPUAccessFlags =  0;
         }
         else  if ( CPUWritable && GPUWritable)
         {
             // error handling
             // resource acan’t be write by both CPU and GPU simultaneously
         }

         ID3D11BUFFER* pBuffe =  0;
         HRESULT hr = pDevice->CreateBuffer( &desc,pData,&pBuffer);
         if(FAILED(hr))
         {
             return  0;
         }
         return pBuffer;
}

 

         B/S buffer需要通过RV才能绑定到管线上，并且只能是shader resource view或者unordered access view。需要在创建RV时提供buffer的数据格式，BBR的格式必须是DXGI中定义的格式之一，SBR的格式总是DXGI_FORMAT_UNKNOWN。创建RV时，可以指定开始元素(ElementOffset)的位置和元素个数(ElementWidth)，可以选择把整个或者一部分buffer数据包含在view中。对于HLSL来说，绑定到管线的buffer则总是一个下表标从在[0,ElementWidth]之间的数组。

 

ID3D11ShaderResourceVIew* CreateBufferSRV ( ID3D11Rsource* pResource)
{
         D3D11_SHADER_RESOURCE_VIEW_DESC desc;
         desc.Format = DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT;
         desc.ViewDimension = D3D11_SRV_DIMENSION_BUFFER;
         desc.Buffer.ElementOffset =  0;
         desc.Buffer.ElementWidth =  100;

         ID3D11ShaderResourceView* view =  0;
         HRESULT hr = pDevice->CreateShaderResourceView(pResource, &desc, &pView);

          return pView;
}

 

          使用 ElementOffset 和 ElementWidth 参数，可以把同一个 B/S buffer 分成多个子 buffer ，每个子 buffer 都可以有独立的 RV 。创建 UAV 的方法和 SRV 类似，但需要额外加一个属性：

 

desc.Buffer.Flags = D3D11_BUFFER_UAV_FLAG_COUNTER;

 

         为了在shader中访问B/S buffer数据， HLSL中也要用类似一种模板或泛型的语法声明相应的变量，下面是SBR的声明：

struct GridPoint
{
     float height;
    float4 flow;
}

RWStructuredBuffer newWaterState  :register(u0);
StructuredBuffer currentWaterState  :register(t0);

 

         可以通过两种方法声明结构化buffer：RWStructuredBuffer<>和StructuredBuffer< >。区别在于前者对应着可读可写的buffer（UAV），后者则是只读的数据（SRV），注意，不同buffer对应的寄存器标识也不一样。声明了HLSL变量以后，就能用普通数组的语法，通过索引访问buffer中的数据了。HLSL中提供GetDimensions()函数，可以返回buffer大小，或者是SBR中的数组元素个数。对于使用UAV绑定的SRB来说，由于指定了D3D11_BUFFER_UAV_FLAG_COUNTER标记，还可以使用IncrementCounter()和DecrementCounter函数管理数据。