Vulkan 资源绑定和状态管理

一、Pipeline简介

Vulkan中的管线分为两种：Compute Pipeline 和 Graphics Pipeline。

这两种Pipeline的作用跟其他CG API并没有太大的差别。

Compute Pipeline 用于异构并行计算，Graphics Pipeline 用于绘制渲染。

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1.1 Compute Pipeline

1965年英特尔（intel）创始人之一的戈登·摩尔提出著名的摩尔定律：集成电路上可容纳的元器件的数量每隔18至24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。

从此，摩尔定律成为了推动半导体行业发展的“自我实现”的预言。

但是随着行业的发展，摩尔定律越来越难以实现。2019年英伟达（Nvidia）CEO黄仁勋在CES 2019展会上表示：“摩尔定律过去是每5年增长10倍，每10年增长100倍。而如今，摩尔定律每年只能增长几个百分点，每10年可能只有2倍。因此，摩尔定律结束了。”

黄仁勋声称摩尔定律已经失效，他说这番话也许有商业原因，但是一个真实的行业情况就是：在人工智能、云计算、数据挖掘、数据分析等技术兴起的背景下，CPU算力越来越捉襟见肘。

行业对算力的强烈需求，推动了异构计算技术的发展。

Vulkan在设计之时就已经将支持异构并行计算纳入考虑范围。Compute Pipeline就是为此而生。

Vulkan 的Compute Pipleline比较简单，API也比较少，基本上我们只需要关注shader本身就好。

1.2 Graphics Pipeline

相比于Compute Pipleline，Vulkan的Graphics Pipeline更加复杂，Rasterzation(光栅化)、Shading(着色)、Geometry (几何着色)、Tessellation （细分）... ... 这些年虐过你的功能一个不少。

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在Vulkan中，配置Graphics Pipeline需要三个步骤：

• 提供shader
• 绑定资源
• 管理状态

后两者是本文要讲的重点。

二、Pipeline State Management

从早期开始，OpenGL 状态机就提供了更细颗粒度的状态控制。

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精细颗粒度的控制对驱动程序带来了负担，驱动程序不得不对状态进行缓存和运行时编译（JIT）。

但是现在新的API，几乎把整个GPU state vector封装到一个object中。

比如，如果你想切换状态，是通过切换pipeline state A和pipeline state B。而不是想OpenGL中那样更改标志位。

这样粗颗粒度的状态对象的优势是方便驱动程序的编译和验证，有助于避免在状态改变时造成的暂停现象。

Vulkan的Pipeline状态管理参考的是Mantel，提供了Pipeline State Object（PSO）进行状态管理：

• Vertex input state
  • Vertex input state用来管理Vertex数据的位置、索引、布局等信息
• Input assembly state
  • Input assembly state管理定点数据的组织方式（点、线、三角形...）
• Tessellation State
  • Tessellation State管理Tessellation control shader 和 Tessellation evaluation shader的状态
• Rasterization state
  • Rasterization state用来管理光栅化的一些状态，包括多边形的填充模式（PolygonMode）、剔除模式（正面剔除、背面剔除）、深度信息的处理
• Color Blend state
  • Color Blend是Vulkan Graphics Pipeline的最后阶段，这个阶段负责将片段写入color attachments。在许多情况下，这是一个简单的操作，仅用Fragment Shader输出的值覆盖attachments中的值。除此之外，color blend还可以将这些值与FrameBuffer中的值混合，并进行简单的逻辑运算。
• Viewport state
  • Viewport state用来管理Viewport，Viewport会将设备坐标（device coordinate）转换为窗口坐标（window coordinate），是进行光栅化之前最后一次坐标变换
• Depth/Stencil state
  • Depth/Stencil state控制着Depth和Stencil测试的方式
• Multi-Sampling State
  • 多重采样的目的是为了抗锯齿，Multi-Sampling State管理多重采样

Dynamic state

• Graphics Pipeline很复杂，包含很多状态，一些图形应用希望能以更高的频率更改某些状态。如果每种状态更改都要创建一个新的Pipeline对象，非常不利于管理。
• Dynamic state可以管理viewport、stencil、line widths（线宽）、blending constants、stencil comparison masks等状态。应用无需重建Pipeline对象，只需要通过Command Buffer就可以实现状态更新

三、Resource Binding

Vulkan的资源绑定涉及到以下几个概念：

• Descriptor
• Descriptor Set
• Descriptor set layout
• Descriptor binding
• Pipeline layout
• Push constant

了解DirectX12（D3D12）的同学更容易接受Descriptor Set、Descriptor binding这些概念，因为Vulkan的绑定模型（Binding model）一部分参考了DirectX12（D3D12）的设计理念。

3.1 Descriptor

Descriptor是一个GPU特定编码格式的数据块。Descriptor所指的内容不同，就可以表示不同的数据类型。比如指向纹理的texture descriptor可能包括指向纹理数据的指针，以及宽度/高度，格式等信息。

由于不同的GPU存储信息的方式不同，所以API中并没有对应用暴露format信息。

Descriptor的内存不可以分配和释放，只能write，copy 和 move。

3.2 Descriptor Set

Descriptor Set是一个绑定在Pipeline上资源集合。多个Descriptor Set可以同时绑定到一个Pipeline上。

每个Descriptor Set都有一个layout，Descriptor set Layout会控制当前资源集中的资源排布方式，给shader提供了读取资源的接口。

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Descriptor set layout本质上是Descriptor bindings的集合。Descriptor binding可以是一个 texture descriptor、buffer descriptor或者sampler descriptor等descriptor。

正是通过Descriptor binding，Descriptor Set才实现了shader和资源的绑定，方便了shader对资源的读写操作。

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3.3 Pipeline layout

Pipeline layout是由Pipeline可以访问的由descriptor set layouts 和 push constant ranges组成，它表示Pipeline可以访问的完整资源集。

其中，Push constant 提供了一个快速更新shader中常量的方法。

3.4 Binding model

我们把上述元素组织在一起，就是vulkan资源的绑定模型。

Descriptor Set包含一组Descriptor和Descriptor Set layout：

• 每个Descriptor都可以表示不同的数据类型
• Descriptor Set Layout由Descriptor binding组成，会控制每个Descriptor的排列方式
• Descriptor binding将Descriptor和shader进行绑定，给shader提供了对资源操作的接口。

Constants register array（Root Table） 把多个Descriptor Set 和 push constant组织在一起。

Pipeline layout 表示整个渲染管线的资源布局。

最后我们来看一下整体架构的示意图：

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参考文档：

1. Vulkan Programming Guide
2. Vulkan Cookbook
3. Learning Vulkan
4. Vulkan® 1.1.148 - A Specification
5. Vulkan Rendering Interface
6. Managing Descriptor Heaps
7. 21-LowLevelAPIs
8. Vulkan Tutorial
9. Qualcomm Vulkan Tutorial
10. Choosing a binding model
11. Elements of design of explicit graphics APIs
12. Binding models investigation
13. SIGGRAPH 2015
14. Getting started with computer graphics and the vulkan API
15. Descriptor binding: DX12 and Vulkan