图形API基础——Direct X相关

本系列会尝试对图形渲染常用的API比如DX/OpenGL/Metal/Vulcan中的一些术语进行列举与阐述，一方面方便做对比认知，一方面也可用作工作中的工具书使用。为了方便使用，列举的术语还会一并给出对应API版本。此外，由于涉及话题过于宏泛，无法一次性完成，因此内容会随时间不断补充。

• Constant Buffer:DX10引入了Constant Buffer概念（每个Shader有16个Constant Buffer插槽），允许用户将需要的常量数据组织成一个struct一次性从CPU传给GPU，在Shader中对应的关键字为cbuffer，其数据格式与顺序需要与CPU侧保持一致（使用案例）。
  1. 需要注意的是，Constant Buffer的数据传输是作为一个整体完成的，只要struct中的任一变量发生改变，就需要对整个buffer进行更新，因此在使用的时候建议按照变化频率来组织buffer，保证同一buffer中的变量的修改时机是基本一致的。
  2. Constant Buffer相对于此前版本的Constant Register有何优越之处呢？此前版本的Constant Register基本上对应的是唯一的一个Buffer，因此每次进行Draw调用的时候都需要对这个buffer进行重新设置，而Constant Buffer的引入则可以针对这个过程进行优化，其基本原理是在每一帧中，如果Constant Buffer不做修改，那么在这一帧中的所有DP从这个Constant Buffer中获取的都是第一次设置时的数据不会丢失。按照这个逻辑，如果多个DP共享某一套参数，那么就可以将这套参数单独组织成一个Constant Buffer并在绘制之初设置完成直到所有用到这套参数的绘制完成为止（具体可以参考Windows to Reality: Getting the Most out of Direct3D 10 Graphics in Your Games）。

Resource Types

• Structured Buffer[1]:这是DX11引入的Resource Type，用于将数据组织成Structure的方式塞入到GPU中，每个Structured Buffer实际上可以看成一个由Structure Elements组成的数组，即Array of Structures（AOS），因此在Shader中对数据进行访问，也可以按照数组的形式直接使用下标实现。在SIMT的Shader执行框架下，多个线程同时对相邻元素（顶点、像素）的同一种数据（比如顶点、颜色等）进行访问，为了保证执行的高效性，最好保证一个Warp/Wavefront中的多个线程读取的数据是相邻的，按照这种思路，数据的组织结构使用Structure of Arrays（SOA，这也是DX10 所推荐的使用策略）会比使用AOS更优秀，为什么DX 11反而推出了AOS的Structured Buffer呢？

  1. 使用时需要注意，每个struct的size最好是128（一个cache line的尺寸）的整数倍（比如128,256等）或者能够整除128（比如32,64等），这样就不会由于一个struct跨越多个cache line导致的性能损失（参考）
  2. StructuredBuffer对应的是只读Buffer，而RWStructuredBuffer对应的则是可读写Buffer，在可读写Buffer中，可以对int/uint类型的元素应用原子函数（Atomic functions）以实现interlocked操作（相当于同步逻辑以保证多个线程同时访问时数据的有效性）。
  3. RWStructuredBuffer与后面给出的RWBuffer的区别在于，RWStructuredBuffer是用Structure组织的各种类型的数据的Element的数组，Structure中的数据类型不支持硬件压缩与解压缩（如R10G10B10A2等特殊的格式到Vector4的转换），而RWBuffer则是支持硬件的压缩与解压缩，但是这个数组中的元素只包含一个某种类型的数据，而不像RWStructuredBuffer一样元素是一个Structure（参考）。

• Read/Write Buffers and Textures[1]:DX10中的Buffer/Texture都是只读的（因为DX10硬件不支持UAV类型的资源，因此不能对贴图进行直接写入），而这些DX11引入的Resource Type，可以用于实现在Shader中对Buffer/Texture数据的同时读写，目前支持的这类资源具体有以下几种类型：

  1. RWBuffer
  2. RWTexture1D, RWTexture1DArray
  3. RWTexture2D, RWTexture2DArray
  4. RWTexture3D

使用注意事项：

1. 虽然DX11给出了RWBuffer/RWTexture结构，但在DX11.2之前（包含DX11.2），其使用模式是受限的，具体表现为只有DXGI_FORMAT_R32_UINT格式的贴图数据才支持在同一个shader中对此类UAV进行Read&Write（如果只是Random Access Write的话，可以支持任意格式的UAV；如果只是Random Access Read，则支持任意格式的SRV），对于其他的贴图格式，就需要保证能够实现与DXGI_FORMAT_R32_UINT格式之间的转换，之后通过一种稍微复杂的packing/unpacking逻辑进行读写，具体参考Unpacking and Packing DXGI_FORMAT for In-Place Image Editing。在DX11.3中，可读UAV的格式限制被大大放宽，基本上保持与DX12一致，具体情况可以参考类型化无序访问视图 (UAV) 加载。

• BYTE ADDRESS (RAW) BUFFERS[1]：Byte address buffers也称为Raw Buffers，是DX11引入的一种特殊的Buffer类型，这种Buffer通常是通过使用一个（相对于Buffer起始位置的）字节偏移量（即偏移量以字节为单位）来对数据进行访问的，这跟平常所熟知的通过数组下标访问的方式有着较为明显的区别。
  1. 字节偏移量也不是任意的整数，其约束条件为必须是4的倍数（即以word作为对齐单位），这是因为raw buffer中的数据总是按照32位无符号整数的方式来解析的（当然，也可以存储其他的数据类型，之后在shader中通过类似于asfloat之类的函数进行解析）。
  2. Raw buffer既可以用作VB也可以用作IB，因此非常适合用在CS中来生成geometry的mesh数据。
  3. DX目前支持的Raw buffer主要有两类：ByteAddressBuffer，RWByteAddressBuffer。
  4. 可以看成是一个特殊的RWStructuredBuffer，特殊在于可以用于实现VB/IB（RWStructuredBuffer是不能用作这个用途的）
• Unordered Access View(UAV)[1]:这是在DX10中推出的可以实现对数据的无序读写的资源类型，在DX10中只有CS（Compute Shader）可以使用此类型，而在DX11中将其使用范围扩展到Pixel Shader上。借助这个实现机制，或许后面可以用于实现类似于A-buffer算法，即每个像素可以挂接多个fragments（如可以用于实现多层depth）

参考文献

1. DirectCompute PROGRAMMING GUID