圖形命令大規(guī)模并行程序設(shè)計方法

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摘要：超長圖形流水線中圖形命令執(zhí)行的并行度直接制約圖形處理的繪圖及計算性能，圖形命令解析程序完成圖形接口到硬件可識別任務(wù)的映射，通過圖形繪制接口的特征分類與特征提取，提出一種滿足圖形指令功能解析、符合圖形流水線任務(wù)映射的編程結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計方法，加速了圖形命令處理，并通過分析任務(wù)的處理流程與特征，設(shè)計了運行管理、中斷管理與低功耗管理，提高了程序設(shè)計及功能執(zhí)行的健壯性與時效性。

關(guān)鍵詞：圖形命令；大規(guī)模并行；命令處理器

引言

從1999年第一款圖形處理器誕生起，圖形處理架構(gòu)發(fā)展經(jīng)歷了固定管線架構(gòu)、分離染色器可編程架構(gòu)和大規(guī)模統(tǒng)一染色陣列架構(gòu)，提供的圖形繪制能力、計算能力大幅提升，因其卓越的數(shù)據(jù)處理性能，圖形處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于顯示系統(tǒng)、視覺計算、自動駕駛、目標(biāo)識別與跟蹤、人工智能等領(lǐng)域。圖形繪制的編程模式如圖1所示，圖形應(yīng)用程序通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的圖形繪制接口完成場景繪制，圖形處理器接收標(biāo)準(zhǔn)圖形繪制接口、處理、并將最終的像素數(shù)據(jù)存儲在幀緩沖區(qū)，經(jīng)由顯示器輸出顯示畫面。目前常用的3D圖形處理接口標(biāo)準(zhǔn)包括OpenGL和DirectX接口標(biāo)準(zhǔn)。

1圖形命令特征分析

標(biāo)準(zhǔn)圖形任務(wù)處理標(biāo)準(zhǔn)接口眾多且不斷發(fā)展，但并未對圖形處理流水線提出本質(zhì)性的改變，各大廠商對圖形流水線的劃分基本遵循如圖2所示的結(jié)構(gòu)［1］，只是在形處理流水線各單元功能細分或?qū)崿F(xiàn)方式上有所不同。

1．1圖形繪制接口特征分類

通過分析標(biāo)準(zhǔn)圖形繪制接口，將接口功能與圖形處理流水線進行功能映射，按照繪圖接口的作用范圍及實現(xiàn)功能，將圖形繪制接口分為如下三類：a）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備類接口。完成圖形繪制之前的紋理數(shù)據(jù)加載、緩沖區(qū)數(shù)據(jù)加載、顯示列表數(shù)據(jù)加載等準(zhǔn)備工作。b）屬性配置類接口。標(biāo)準(zhǔn)圖形繪制接口中，約70％的接口函數(shù)都是用于完成某一類功能的參數(shù)配置或改變圖形流水線中某一單元的運行狀態(tài)，此類接口并不會直接的影響繪圖結(jié)果［2］。c）繪制類接口。包括頂點類繪制接口及像素類繪制接口，不會改變圖形流水線的狀態(tài)，但直接影響最終的圖形繪制結(jié)果。頂點類繪制接口經(jīng)過頂點處理、幾何處理、光柵化、片段處理及像素處理，最后輸出顯示；像素類繪制接口只經(jīng)過像素處理，最后輸出顯示。

1．2圖形繪制接口特征提取

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備類接口完成CPU與GPU之間的數(shù)據(jù)傳輸，分析OpenGL接口的特性可知，數(shù)據(jù)傳輸類接口與數(shù)據(jù)解析使用類接口分別實現(xiàn)，所以在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備類接口發(fā)起操作后不需要等待傳輸完成，即可執(zhí)行后續(xù)命令，直到相應(yīng)數(shù)據(jù)解析使用時再判斷數(shù)據(jù)傳輸完成狀態(tài)，加快了指令之間的并行度，避免了不相關(guān)指令之間的相互等待而造成的資源浪費［3］。屬性配置類接口所占的比例很高，執(zhí)行效率直接影響繪圖效率，若采用串行執(zhí)行的方式實現(xiàn)，既浪費硬件資源又影響接口的處理性能，結(jié)合屬性配置類接口不直接影響繪圖結(jié)果，僅配置相關(guān)模塊屬性狀態(tài)的特點，采用流水線資源鎖和并行屬性配置的方式實現(xiàn)，減少了屬性配置類接口之間的等待時間，統(tǒng)一了實現(xiàn)方式，加快了圖形流水線的運行。繪制類接口類型眾多、參數(shù)數(shù)量多變，為了加快數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)解析的效率，采用變長指令、固定格式指令解析的方法［4］，即統(tǒng)一接口類型及參數(shù)數(shù)量，但不限制數(shù)據(jù)體的個數(shù)（只規(guī)定數(shù)據(jù)體個數(shù)的最大最小值），加速繪制類接口的數(shù)據(jù)傳輸，減少接口解析消耗。

1．3圖形繪制接口的解析方式

根據(jù)圖形繪制接口的解析特征，實現(xiàn)如下兩種命令格式，用于映射各種圖形任務(wù)的組合。類型1配置類圖形命令配置類圖形命令實現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備類接口和屬性配置類接口，其命令格式如下所示，其中命令包頭包括接口類型編碼，用于識別當(dāng)前命令的類型；接口參數(shù)個數(shù)，提供當(dāng)前命令所攜帶的參數(shù)信息；參數(shù)信息存儲首地址，用于配置圖形屬性寄存器。命令格式1：接口類型＋參數(shù)信息＋數(shù)據(jù)體1＋…＋數(shù)據(jù)體N類型2數(shù)據(jù)類圖形命令數(shù)據(jù)類命令實現(xiàn)繪制類接口，由于圖形繪制類接口類型及參數(shù)類型眾多，如glVertex類型的命令包括了三種接口類型及八種數(shù)據(jù)類型，為了便于實現(xiàn)及統(tǒng)一管理，不同接口類型的格式轉(zhuǎn)換及類型轉(zhuǎn)換由主機驅(qū)動完成，命令解析程序只針對特定一種格式進行解析。命令格式如下所示，其中命令包頭包括接口類型編碼，用于識別當(dāng)前命令的類型；接口參數(shù)個數(shù)，提供當(dāng)前命令所攜帶的參數(shù)信息；參數(shù)信息分量個數(shù)，用于指定當(dāng)前繪制類接口一套屬性所攜帶的參數(shù)個數(shù)；參數(shù)信息存儲首地址，用于配置圖形屬性寄存器。命令格式2：接口類型＋參數(shù)信息＋參數(shù)分量信息＋數(shù)據(jù)體1＋…＋數(shù)據(jù)體N

2圖形命令解析染色程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖形應(yīng)用程序特征如圖3所示，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備類接口、屬性配置類接口用于完成圖形狀態(tài)機的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及狀態(tài)配置，繪制類接口用于發(fā)送繪圖操作生成新的頂點數(shù)據(jù)及像素數(shù)據(jù)。因此圖形命令解析的染色程序主要是針對數(shù)據(jù)準(zhǔn)備類接口、屬性配置類接口的任務(wù)特征，高效完成圖形狀態(tài)機的設(shè)置，提高圖形繪制的速率。根據(jù)處理任務(wù)的特征，采用RISC處理器＋匯編驅(qū)動軟件來完成圖形接口任務(wù)的解析，保證了任務(wù)擴展的靈活性與解析處理的高效性［5］。

2．1圖形命令解析程序功能設(shè)計

圖形命令解析是將標(biāo)準(zhǔn)的圖形接口解析為多個獨立、圖形處理硬件可識別的圖形處理任務(wù)，由圖形流水單元完成圖形任務(wù)的執(zhí)行。其處理流程如下：a）接收從主機傳輸?shù)膱D形命令。b）識別圖形命令，判斷當(dāng)前命令的合法性。c）若為合法命令，進行圖形命令解析，包括圖形屬性寄存器配置、DMA配置、圖形功能碼發(fā)送，圖形狀態(tài)同步等操作；若為非法命令，進行數(shù)據(jù)記錄、錯誤信息記錄。其中：圖形命令接收、識別、判斷合法性、圖形任務(wù)映射解析及錯誤信息記錄由軟件實現(xiàn)，保證圖形接口處理的靈活性，可擴展性；圖形任務(wù)的執(zhí)行由硬件實現(xiàn)，保證功能的高效性與實時性，其流程如圖4所示。圖形命令解析軟件偽代碼結(jié)構(gòu)如下所示：在匯編代碼中以上所示的偽代碼進行編碼存在如下幾個問題：a）獲取到命令后匹配操作效率低，第一條命令需要進行一次判斷，第n次操作需要作n次判斷，平均匹配一條命令需要2／n次判斷；b）圖形指令的發(fā)送時機與圖形流水線中各單元狀態(tài)相關(guān)，若每條圖形指令都等待上一條指令執(zhí)行完成，執(zhí)行效率較低；c）針對不同的應(yīng)用場景，驅(qū)動的函數(shù)排布影響RISC處理器的取指效率、指令存儲缺頁率，頻繁的指令頁替換會導(dǎo)致訪存效率低下［6］。針對以上問題，對驅(qū)動軟件進行的優(yōu)化操作如下：a）在每條命令包頭中增加繪圖函數(shù)的入口地址信息，采用哈希跳轉(zhuǎn)的方式，當(dāng)識別到繪圖命令后，直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)命令的入口地址或在命令中入口地址信息，位數(shù)較少時采用二次跳轉(zhuǎn)實現(xiàn)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示，相較串行查找，哈希跳轉(zhuǎn)查找提高了執(zhí)行效率。b）定義圖形流水線中各單元的狀態(tài)，當(dāng)接收到一條繪圖命令后，根據(jù)包頭信息識別當(dāng)前命令，且只判斷當(dāng)前繪圖命令起作用的單元及流水線中之前的單元都為空閑，則當(dāng)前繪圖命令具備發(fā)送處理的前提，可以發(fā)送的圖形流水線中進行處理［7］。例如glClip⁃Plane命令在平面裁剪單元起作用，因此只需要判斷圖形流水線中模型變換單元、頂點光照單元、圖元裝配單元及平面裁剪單元都空閑時，才能夠發(fā)送glClipPlane命令。c）在特定場景時，使用的繪圖函數(shù)是固定的，因此可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景掃描得到函數(shù)的API種類及調(diào)用次數(shù)，指令CACHE頁大小及CACHE調(diào)度策略，排布驅(qū)動程序，減少驅(qū)動代碼量，降低CACHE缺頁率［8］。

2．2圖形命令解析任務(wù)管理設(shè)計

圖形命令解析任務(wù)管理覆蓋了RISC運行過程中運行狀態(tài)管理、錯誤管理、中斷處理及低功耗管理［9］，在提供圖形命令解析性能的同時，加強了健壯性設(shè)計，可靠性設(shè)計，提升了有效功耗比。

2．2．1運行流程管理為了保證RISC程序運行結(jié)果的可預(yù)期，將運行流程分為五種狀態(tài)進行管理。上電后先加載染色器程序，加載完成后RISC處理器開始運行，根據(jù)程序的運行過程將RISC處理器的運行狀態(tài)分為自檢狀態(tài)、初始化狀態(tài)、空閑狀態(tài)、解析命令狀態(tài)、錯誤狀態(tài)。RISC處理運行首先進行上電自檢，上電自檢內(nèi)容包括了指令集、可訪問資源、處理通路等，是保證處理器正常運行最基本的檢測行為，若自檢未通過，則進入錯誤狀態(tài)。在初始化狀態(tài)中，軟件配置通用寄存器、圖形屬性參數(shù)、片上存儲信息等為繪圖接口規(guī)定的初始值，完成參數(shù)準(zhǔn)備。初始化完成后，當(dāng)RISC接收到需要處理的圖形命令即進入解析命令狀態(tài)，解析完成后若沒有新的需要處理的圖形命令即進入空閑狀態(tài)，在執(zhí)行解析處理的過程中若發(fā)生錯誤則進入錯誤狀態(tài)。以軟件插樁的方式將狀態(tài)信息的設(shè)置分布在圖形命令解析處理的過程中。

2．2．2中斷管理圖形命令解析過程中可能因為資源鎖狀態(tài)、FIFO狀態(tài)、DMA資源狀態(tài)等條件無法滿足而導(dǎo)致命令解析的超長等待時間，進而會將圖形流水線掛死。因此采用中斷處理方式，在開始解析命令時配置看門狗使能及計數(shù)信息，在解析命令結(jié)束時禁止看門狗功能，以此來約束圖形命令解析的時間［10］。當(dāng)出現(xiàn)超時中斷，進行現(xiàn)場信息記錄，判斷中斷原因及類型，并進行相應(yīng)的中斷處理。

2．2．3低功耗管理在高性能圖形處理器運行過程中，并不是所有的命令都需要通過RISC解析處理，因此在多數(shù)場景下RISC解析執(zhí)行是不連續(xù)的，在不需要解析處理時RISC處理器會進入低功耗模式［11］，不進行取指、譯碼等操作，直到有圖形命令喚醒RISC處理器從指定地址執(zhí)行解析操作。RISC處理器的狀態(tài)遷移如圖6所示。

3圖形命令解析染色程序驗證

面向圖形命令解析染色程序運行機制及實現(xiàn)功能，將驗證內(nèi)容分為染色程序通路驗證、染色程序命令解析驗證、染色程序管理驗證［12］。染色程序通路驗證覆蓋染色程序的每一個分支處理通路，保證圖形命令解析過程數(shù)據(jù)處理的正確性；染色程序命令解析驗證覆蓋圖形命令及參數(shù)與染色程序通路之間的對應(yīng)關(guān)系，確保圖形命令解析任務(wù)的正確性；染色程序管理驗證包括了運行流程管理、中斷管理等功能，驗證染色程序運行的正確性、健壯性、可監(jiān)控性。染色程序功能驗證示例如圖7所示，覆蓋了圖形流水線的典型功能。

4結(jié)束語

超長流水線中斷流與訪存等待延時等原因極大地影響了流水線的執(zhí)行效率。本文在分析圖形流水線功能劃分，圖形命令任務(wù)映射，圖形訪存屬性特征的基礎(chǔ)上，提出了一種可并行的圖形命令解析程序設(shè)計方法，通過將命令任務(wù)逐類分解，減少不相關(guān)命令之間的等待延時等操作，提高了任務(wù)的并行性，加速了流水線任務(wù)處理，實現(xiàn)了低延時，高效率的圖形任務(wù)解析。

作者：劉暉 田澤 張琛 蘇東閣 單位：中國航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所