移动端TB(D)R架构基础

目录

1 各类电子设备功耗对比

2 名词解释

3 立即渲染

4 TBDR渲染流程

5 Binning过程（第一个Defer）

 6 不同GPU的Early-Depth-Test（第二个Defer）

7 优化建议

8 参考目录

1 各类电子设备功耗对比

桌面级主流性能平台，功耗一般为300W( R7/17+X60级别显卡)，游戏主机150-200W
入门和旗舰游戏本平台功耗为100W
主流笔记本为50-60W，超极本为15-25W,
旗舰平板为8-15W
旗舰手机为5-8W，主流手机为3-5W。

桌面和移动端带宽比较

绿色桌面端，虚线移动端

2 名词解释

• System on Chip（soc）

Soc是把CPU、GPU、内存、通信基带、GPS模块等等整合在一起的芯片的称呼。常见有A系Soc (苹果)，骁龙Soc (高通)，麒麟Soc (华为)，联发科Soc，猎户座Soc (三星)，去年苹果推出的M系Soc，暂用于Mac，但这说明手机、笔记本和PC的通用芯片已经出现了

• System Memory

Soc中GPU和CPU共用一块片内LPDDR物理内存，就是我们常说的手机内存，也叫System Memory，大概几个G。此外CPU和GPU还分别有自己的高速SRAM的Cache缓存，也叫On-chip Memory，一般几百K~几M。不同距离的内存访问存在不同的时间消耗，距离越近消耗越低，读取System Memory的时间消耗大概是On-chip Memory的几倍到几十倍。soc上gpu和cpu,共享一个内存地址空间。

• On - Chip Memory

在TB(D)R架构~下会存储Tile的颜色、 深度和模板缓冲,读写修改都非常快。

• Stall

当一个GPU核心的两次计算结果之间有依赖关系而必须串行时，等待的过程便是Stall。

• FillRate

像素填充率=ROP运行的时钟频率xROP的个数x每个时钟ROP可以处理的像素个数。

TB(D)R (Tile-Based (Deferred) Rendering)是目前主流的移动GPU渲染架构，对应一般PC_上的GPU渲染架构则是IMR(Immediate Mode Rendering )，简单意思为屏幕被分块（16*16或32*32）渲染。

TBR:VS- Defer- RS- PS
TBDR:VS- Defer- RS- Defer- PS

Defer：字面是延迟，但从渲染数据的角度来看，Defer 就是“阻塞+批处理”GPU的“一帧”的多个数据，然后一起处理。

3 立即渲染

应用程序提交的数据先经过顶点Shader处理，然后经过一个类似先进先出管道的处理，最终交给片段Shader计算后刷到Framebuffer中。上图虚线框是系统内存，整个过程，用户数据直接和系统内存交互。

4 TBDR渲染流程

1:第一阶段执行所有与几何相关的处理，并生成Primitive List( 图元列表)，并且确定每个tile.上面有哪些primitive【分图元】
2:第二阶段将逐块执行光栅化及其后续处理，并在完成后将FrameBuffer从Tile Buffer写回到System Memory中。【不直接写回系统内存，而是写到片上内存】

 

用户数据经过顶点Shader处理，再经过Tiler将数据分块，记录每块上有哪些图元，在经过片元Shader处理，将结果刷到On -Chip-Memory（片上内存），最后将数据刷到系统内存上。上图上框代表片上内存，下框代表系统内存。

TBR简化示意图

与IMR的区别

• TBDR架构中，多了一步Tiling的过程（第三步），这一步是：将顶点处理经过剔除、投影的几何数据刷到系统内存(System Memory)上
• 经过光栅化（Raster）等流水线fragment shader、ROP等，把结果刷在片内存(On Chip Memory)上
• 最终片内存上的会刷到FrameBuffer上（FrameBuffer在System Memory上）

TBR动态示意图

TBR核心目的是为了降低带宽，减少功耗，但渲染帧率上并不比IMR快。

优点：

• 给消除OverDraw提供了机会：PowerVR有HSR技术，Mali有Forward Pixel Killing技术，都有为了最大限度减少被遮挡的pixel的texturing和shading
• 缓存友好（Cache friendly），在cache的读写速度要比全局内存中快得多，以降低帧率为代价，降低带宽、功耗，达到省电目的

缺点：

• binning过程是在vertex阶段之后，将输出的数据写到系统内存（DDR）上，然后才能被fragment shader读取。这样一来几何数据过多的管线，容易在此处有性能瓶颈（延迟渲染？）
• 如果某些三角形叠加在数个tile（块）上，会被绘制数次。这样就意味着：总渲染时间多于IMR

5 Binning过程（第一个Defer）

确定每个片元由哪些块元渲染 

 6 不同GPU的Early-Depth-Test（第二个Defer）

Adreno的LRZ模块

Qualcomm Adreno采用外置模块LRZ。在正常渲染管线之前，先多执行一次vs生成低精度depth texture，来提前剔除不可见的三角形（实现细节不知）说白了，就是用硬件实现occlusion culling（遮挡剔除），功能类似软光栅中的遮挡剔除。

Arm Mail采用的FPK（Forward Pixel Kill）

 

 IOS PowerVR的HSR

7 优化建议

1. 记得在不使用FrameBuffer的时候clear或discard

• 这样做主要是为了清空积存在tile buffer上的中间数据（前边提到的Frame Data），所以对Unity里的rt（render texture）的使用也特别说明一下：当我们不再使用这个rt的时候，尽量调用一次Discard在OpenGl ES上，要善用glclear，glInvalidateFrameBuffer，避免不必要的Resolve（tile buff刷新到system memory）行为

2. 不要在一帧里频繁的切换FrameBuffer的绑定

• 本质：减少tile buffer和system memory之间的stall（同步）操作

3. 对于移动平台，建议使用Alpha混合，而非Alpha测试。

• 是一个经验性的结论，在实际使用的过程中应该使用比较两者的表现。通常情况下，移动端应该避免使用Alpha混合来实现透明，如果确实要用，尝试缩小混合区域的覆盖范围（用Mash的方法，对区域进行裁剪）

4. 手机上必须用Alpha Test时，先做一遍Depth Prepass[参考Alpha Test 的双pass优化思路]

5. 图片尽量压缩

• 例如ASTC 、ETC2

6. 图片尽量走mipmap

7. 尽量使用从vertex shader传来的Varying变量uv值采样贴图（连续的），不要在Fragment shader里动态计算贴图的uv值（非连续的），否则CacheMiss，纹理依赖

8. 在延迟渲染中，尽量利用Tile Buffer[参考传统延迟渲染和TBDR]

9. 如果在Unity中调整ProjectSetting---Quality---Rendering---Texture Quality的不同设置，或者不同分辨率下，帧率有很大的变化，大概率是带宽出问题了

10. MASS在TBDR下反而是非常快速的

• MSAA是硬件上的，发生在片上的，相比FSAA，MSAA在手机上是非常快的

11. 少在Fragment shader中使用discard函数，调用gl_FragDepth从而打断Early-DT的过程

• （hlsl中为Clip，glsl中为discard）

12. 在shader使用浮点数精度值时，有目的的区分使用float，half

优点：

• 带宽减少
• 要求的统一变量寄存器的数量减少，这样反而又降低了寄存器数量溢出风险。
• GPU中用的周期数减少，因为着色器编译器可以优化你的代码来提高并行化程度
• 关于数据类型的使用具体参考：[熊大的优化建议]、[shader数学计算优化技巧]

13. 在移动端的TBDR架构中，顶点处理部分（Binning过程）容易成为瓶颈

• 避免使用曲面细分shader，置换贴图等负操作
• 提倡使用模型LOD，（本质上减少Frame Data的压力）
• Unity中尽早的在应用阶段做umbra（Unity内置）遮挡剔除、gpu的occlusion cull
• 具体参考：[occlusion-culling-tutorial][天涯明月刀手游优化]

8 参考目录

• [GPU性能指标 ]

https://www.gpuinsight.com/gpu_performance/

• [三星的GPU-FrameBuff指导]

GPU Framebuffer Memory: Understanding Tiling | Samsung Developers

• [英伟达的TBR教学文章]

On NVIDIA's Tile-Based Rendering | TechPowerUp

• [ARM的TBR教学文章]

Documentation – Arm Developer

• [苹果OpenGL程序开发指南]

Tuning Your OpenGL ES App

• [OpenGL Insights]

https://www.seas.upenn.edu/~pcozzi/OpenGLInsights/OpenGLInsights-TileBasedArchitectures.pdf

• [知乎文章：Tile-based 和 Full-screen 方式的 Rasterization 相比有什么优劣]

Tile-based 和 Full-screen 方式的 Rasterization 相比有什么优劣？ - 知乎

• [移动设备GPU架构知识汇总]

移动设备GPU架构知识汇总 - 知乎

• [再议移动平台的AlphaTest效率问题]

再议移动平台的AlphaTest效率问题 - 知乎

• [移动平台GPU硬件学习与理解]

移动平台GPU硬件学习与理解 - 知乎

• [PowerVR开发者指南]

http://cdn.imgtec.com/sdk-documentation/Introduction_to_PowerVR_for_Developers.pdf

• [Performance Tunning for Tile-Based Architecture Tile-Based架构下的性能调校]

OpenGL Insights 阅读有感 - Tile Based架构下的性能调校 翻译 - kNiFe.cpp - 博客园

• [TBDR的HSR流程细节和使用AlphaBlend的效率提升程度]

Tile-based 和 Full-screen 方式的 Rasterization 相比有什么优劣？ - 知乎

• [当我们谈优化时，我们谈些什么]

当我们谈优化时，我们谈些什么 - 知乎

UWA学堂 | Unity和Unreal游戏引擎的从业者学习交流平台

• [Alpha Test的双pass 优化思路]

Unity植被性能优化 - 知乎

• [个人收藏]

https://github.com/killop/anything_about_game#gpu-architecture

• [Adreno Hardware Tutorial 3: Tile Based Rendering]

https://www.youtube.com/watch?v=SeySx0TkluE&pbjreload=101

• [Mali GPU的独有特性]

Mali GPU的独有特性 - 马子哥 - 博客园

• [Mali-T880]

http://grmanet.sogang.ac.kr/ihm/cs170/20/HC27.25.531-Mali-T880-Bratt-ARM-2015_08_23.pdf

• [熊大的优化建议]

Unity3D shader优化技巧集合 - Xiong's Graphic Framework

• [GPU画像素的顺序是什么]

GPU画像素的顺序是什么 - 知乎

• [Tile-based Rasterization in Nvidia GPUs with David Kanter of Real World Tech]

https://www.youtube.com/watch?v=Nc6R1hwXhL8&t=973s&pbjreload=101