DirectX12 - Resource Binding（资源绑定）
这里是SunshineBooming，GPU公司一枚小小的Driver工程师，主要工作是写DirectX12 Driver，我会持续更新这个DX12 Spec系列，可能比较冷门，但是都是干货和工作中的心得体会，有任何GPU相关的问题都可以在评论区互动，知无不言：
DirectX12 Spec 总目录
目录
- 1. Descriptor
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- 1.1 基本概念
- 1.2 Descriptor Type
- 2. Descriptor Heap & Descriptor Range & Descriptor Table
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- 2.1 Descriptor Heap
- 2.2 Descriptor Range
- 2.3 Descriptor Table
- 3. Root Signature
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- 3.1 Signature
- 3.2 Root Argument、Root Parament
- 3.3 Descriptor Table、Root Constant、Root Descriptor
- 4. Limits
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- 4.1 Tier Level
- 4.2 Root Signature Size
- 5. API
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- 5.1 CheckFeatureSupport()
- 5.2 Create Descriptor Heap
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- 5.2.1 Descriptor Heap Type
- 5.2.2 CreateDescriptorHeap()
- 5.2.3 如何访问Descriptor Heap中的某个Descriptor？
- 5.2.4 创建Root Descriptor？
- 5.2.5 特殊的SOV、RTV、DSV
- 6. Utils
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- 6.1 Register Space
- 6. 参考文档
1. Descriptor
1.1 基本概念
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Descriptor是DX12资源访问的核心概念，什么是Descriptor？
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官方Spec的解释是：Descriptor is a relatively small block of data that fully describes an object to the GPU。展开来讲，就是CPU会将GPU要访问的Resource（可以理解为Memory）处理好，并把Resource相关信息封装到Descriptor中并提交给GPU，然后GPU端对Descriptor进行解析，并最终访问到相关Resource。
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比如说，APP在CPU端调用CreateShaderResourceView()，创建一个类型为SRV（Shader Resource View）的Descriptor，并将所要访问Memory的Address、Format、Dimension等信息填充到这个SRV中。GPU端拿到SRV中的信息，并解析出Memory的Address、Format、Dimension等信息，就可以访问到这块资源了：
void CreateShaderResourceView(
[in, optional] ID3D12Resource *pResource,
[in, optional] const D3D12_SHADER_RESOURCE_VIEW_DESC *pDesc,
[in] D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE DestDescriptor
);
1.2 Descriptor Type
- Descriptor按照所访问Resource的类型，可以分为：
- Constant buffer view (CBV)：Constant buffers contain shader constant data and can be accessed by any GPU shader，注意这里的constant不同于C/C++中的常量，这里的constant是在shader运算过程种保持数据不变，而其他状态可以更新数据。
- Unordered access view (UAV)：An unordered access view enables the reading and writing to the texture (or other resource) in any order，这里是指为shader无序访问同一块Resource提供读写安全机制，类似于读写锁。
- Shader resource view (SRV)：Shader resource views typically wrap textures in a format that the shaders can access them，这里SRV为Shader访问Resource最普通的一种形式，无特殊功能。
- Samplers：Shader访问采样资源，详细可以查一下细节，Sample采样是提高图形质量的一种手段，在抗锯齿方面有MSAA（多重采样抗锯齿）、SSAA（超级采样抗锯齿）等各种算法。
- Render Target View (RTV)：Render Target就是dx12整个渲染出来的图形数据，会缓存到buffer中，系统再输出到显示器等，一般调用CreateSwapChainForHwnd()创建一块缓冲区，然后作为缓冲对象输出图形数据。
- Depth Stencil View (DSV)：做Depth Stencil测试用的缓冲区，3D显示中有图形遮挡的概念，可以用Depth Stencil Buffer缓存像素点的Z坐标，然后根据Z深度判定点是否显示和进一步计算。
- Vertex Buffer View (VBV)：Vertex用来保存所有输入的顶点信息（像素点用Vertex来表示，可以包括点的空间坐标、颜色、法向量等等，Vertex也可以是用户自定义的各种数据结构），是整个DX12 Pipeline的输入数据。
- Index Buffer View (IBV)：Index是配合Vertex一起使用的，简而言之就是对于Vertex建立索引，这样对于Vertex大量使用的情况，可以直接用索引代替，不用重复保存Vertex数据。
- Stream Output View (SOV)：在DX12 Pipeline中，我们可以选择在GS（Geometry Shader）之后，直接将数据通过Stream Output的方式，直接输出出来，SOV定义输出对象。
2. Descriptor Heap & Descriptor Range & Descriptor Table
2.1 Descriptor Heap
- 有了Descriptor的概念之后，Descriptor Heap也就好理解了：Descriptor heap is the backing memory for descriptors, it is a collection of contiguous allocation of descriptor storage from the API point of view，意思就是Descriptor Heap是分配出来的GPU Memory，是存储Descriptor的地方。
2.2 Descriptor Range
- 如上图所示，Descriptor Range就是从Descriptor Heap中拎出来的subrange，一段连续的Descriptor。这个概念就像C语言中的数组和子数组。
2.3 Descriptor Table
- Descriptor Table = Descriptor Range 1 + Descriptor Range 2 + … + Descriptor Range n，我把n个Descriptor Range放在一起，就形成了一个Descriptor Table。
- 需要指出来的是：Descriptor Table是由Descriptor Range构成的，每个Descriptor Range只能存放CBV/SRV/UAV/Sampler中的一种，不同的CBV/SRV/UAV Range可以混合存放于一个Table中，Sampler需要单独放在一个Descriptor Table中，不可与CBV/SRV/UAV混合存放。
3. Root Signature
- The root signature is the definition of an arranged collection of descriptor table, root constant and root descriptor，这里牵扯的概念有点多，官方文档也没仔细展开讲，我一个个说明：
3.1 Signature
- 签名的概念应该很多编程语言都有，比如C/C++里面的函数签名，我在.h文件中做了一个函数申明，其中包括了函数形参，规定了传入实参的数据个数、类型等，这就是一个函数签名。
- 对应于DX12里面的Signature，你可以把GPU的Shader（前面提到的GPU流水线的各个运算模块）想象成一个函数，接受Descriptor（参数）并进行运算。开发者必须要在APP层申明一个Root Signature，规定好Shader需要用到哪些Descriptor，这样APP传下去的Descriptor（包含各种Resource信息）和Shader里面用到的（Resource）就会保持一致。
3.2 Root Argument、Root Parament
- Root Signature类似于函数签名，Root Argument就是函数签名中的各个形参，所有Root Argument组合在一起形成了Root Signature。
- Root Parament是啥？它其实就是开发者填写好的函数实参，是Root Argument的填好值的样子。
3.3 Descriptor Table、Root Constant、Root Descriptor
- Descriptor Table：前文阐述过了，不再赘述。还是强调一点，Descriptor Table中只能用来存放CBV/SRV/UAV/Sampler中的1种或者组合。
- Root Descriptor：对于Descriptor Table，GPU会内部分配一块Memory专门存放Descriptor Table，而Root Descriptor则是直接将Descriptor信息放入GPU寄存器，这是硬件做好的。但是也会产生各种问题，比如硬件寄存器的数量是有限的，API申请的Root Descriptor数量可能会超，这些问题都会在Driver层做处理。Root Descriptor只能用来存放CBV/SRV/UAV。
- Root Constant：这个类似于Root Descriptor，不过Root Constant不会存储Resource的地址等信息让GPU解析访问，而是直接保存开发者给的Value，这些数值也是存在硬件寄存器中的，粒度是以32-bit为一个单位。
4. Limits
4.1 Tier Level
- FL就是Feature Level的意思，可以看到Directx 9/10/11等不同Feature Level条件下，对于硬件需要支持的CBV/SRV/UAV/Sampler的最大数量是有要求的，达到对应的数量，硬件才能上报相应的Feature Level：
| Tier 1, FL 9.4, 11.0+ | Tier 2, FL 11.0+ | Tier 3, FL 11.1+ | |
|---|---|---|---|
| Max # descriptors in a shader visible CBV/SRV/UAV heap | 1000000 | 1000000 | 1000000+ |
| Max CBVs in all descriptor tables per shader stage | 14 | 14 | full heap |
| Max SRVs in all descriptor tables per shader stage | 128 | full heap | full heap |
| Max UAVs in all descriptor tables across all stages | 8 (64 for FL 11.1+) | 64 | full heap |
| Max Samplers in all descriptor tables per shader stage | 16 | full heap | full heap |
4.2 Root Signature Size
- Root Argument：最大长度是64 DWORDS，这点会在Create Root Signature的时候由DX12 Runtime检查，如果长度超过64 DW并且开启了调试层，Runtime会直接报错并打印详细信息（DX12官方做好的这层Debug Layer很好用，错误信息打印非常全）。
- Descriptor Table：占用1 DW。
- Root Descriptor：占用2 DW。
- Root Constant：占用1 DW * NumOfConstant（1个constant占用32-bit数据，具体占用多少取决于用户申明的NumOfConstant）。
5. API
5.1 CheckFeatureSupport()
- 上面提到了，DirectX12根据硬件支持的Descriptor数量，将硬件的Feature Level数量划分为Tier1/2/3这3个Level，当DX12的Rumtime调用CheckFeatureSupport()向GPU Driver查询时，硬件可以根据自身情况返回3个Tier Level：
typedef enum D3D12_RESOURCE_BINDING_TIER {
D3D12_RESOURCE_BINDING_TIER_1 = 1,
D3D12_RESOURCE_BINDING_TIER_2 = 2,
D3D12_RESOURCE_BINDING_TIER_3 = 3
} ;
5.2 Create Descriptor Heap
5.2.1 Descriptor Heap Type
typedef enum D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE
{
D3D12_CBV_SRV_UAV_DESCRIPTOR_HEAP,
D3D12_SAMPLER_DESCRIPTOR_HEAP,
D3D12_RTV_DESCRIPTOR_HEAP,
D3D12_DSV_DESCRIPTOR_HEAP,
D3D12_NUM_DESCRIPTOR_HEAP_TYPES
} D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE;
5.2.2 CreateDescriptorHeap()
HRESULT CreateDescriptorHeap(
[in] const D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC *pDescriptorHeapDesc,
REFIID riid,
[out] void **ppvHeap
);
- 其中需要填充好
D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC结构体，其中规定了Heap存放Descriptor的类型和数量：
typedef struct D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC {
D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE Type;
UINT NumDescriptors;
D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAGS Flags;
UINT NodeMask;
} D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC;
5.2.3 如何访问Descriptor Heap中的某个Descriptor？
- 答案是和C/C++中的数组一样，采用
Start+Offset的形式，GetCPUHandleForHeapStart()获取Descriptor Heap的Start（不可直接解引用，需要给到DX12 Runtime），GetDescriptorHandleIncrementSize()获取Descriptor的Size，Start + Size * Index即可定位到某个Descriptor。
5.2.4 创建Root Descriptor？
- Root Descriptor无外乎CBV/SRV/UAV/Sampler，那么我们对应调用
CreateShaderResourceView() / CreateConstantBufferView() / CreateUnorderedAccessView()/CreateSampler()即可，注意填充对应的ResourceView参数。
5.2.5 特殊的SOV、RTV、DSV
- 这3种Descriptor类型在
1.1 Descriptor Type有提到过，在GPU Driver层一般有对应的register存储该Descriptor信息，我们只需要将对应的Resource创建好，然后将Resource信息存到Descriptor中，调用CreateStreamOutputView() / CreateRenderTargetView() / CreateDepthStencilView()即可，在Driver中会将Descriptor信息写到对应register。
6. Utils
6.1 Register Space
- The purpose of the register space field is to expand the namespace for register bindings。举个例子，开发者对于同一个SRV寄存器t#0（t#0就是指t寄存器中的第0个，t#对应SRV，u#对应UAV，s#对应Sampler，c#对应CBV），既想要绑定到Resource0上，又想绑定到Resource1上面，那可以这样声明：在绑定到Resource0时，声明为（t#0，space0），绑定到Resource1时，声明为（t#0，space1）。这里的space0/1就是Register Space，类似于C++中的namespace，我在不同的namespace可以申明同一个名称的变量。
6. 参考文档
- DirectX-Specs
- DirectX 12 3D 游戏开发实战（龙书）