【原创】Linux环境下的图形系统和AMD R600显卡编程(11)——R600指令集

1 低级着色语言tgsi

  OpenGL程序使用GLSL语言对可编程图形处理器进行编程,GLSL语言(以下高级着色语言就是指GLSL)是语法类似C的高级语言,在GLSL规范中,GLSL语言被先翻译成教低级的类汇编语言,然后被翻译成硬件特定的指令集。OpenGL体系管理委员会于2002年6月和2002年9月分别通过了两个官方扩展:ARB_VERTEX_PROGRAM与ARB_FRAGMENT_PROGRAM来统一对低级着色语言的支持,GLSL语言被编译成针对这两个扩展的低级着色语言(因此这两个扩展可以看成是GLSL运行的虚拟机),显卡厂商的驱动将低级着色语言翻译成GPU指令。这两个扩展的1.0版本分别是arbvpl0和arbfpl0,这两个扩展的2.0版本分别是arbvp20和arbfp2。

图1

  目前,在Mesa上,GLSL首先被编译器翻译成tgsi中间语言,然后显卡特定的驱动将这些tgsi语言的代码编译成GPU指令,这个过程如图1示(不考虑geometry shader和tesselation shader)。这里有tgsi的详细描述。这篇硕士论文“高级着色语言及其优化编译”对GLSL和低级着色语言有比较详细的论述。

2 R600指令

  在CPU上运行的程序,所有的访存指令和运算指令按照代码的堆叠顺序执行(不考虑指令集并行),如果有跳转指令则跳转到相应位置。

  GPU主要用于运算,早期的GPU没有包含复杂的控制程序,R600 Shader程序和CPU程序比较显得比较简陋,必须有专门的代码指示程序的执行顺序,并且指示程序运行顺序的指令(Control Flow 指令,后面称为CF 指令)、运算指令(后面称ALU指令)和访存指令(在R600 GPU 中称为Fetch 指令)必须按照类别存放,同一种类型的指令放在一起,不同类型的指令按照某种顺序存放,同一类型的指令(不包括CF指令)构成一个Clause。图2显示了R600 GPU Shader程序在显存中存放的形式。

图2

  R600的指令包含Control Flow(后面简称CF)指令,ALU(运算)指令,Vertex Fecth (取顶点)指令和Texture Fetch(取纹理)指令。指令的格式称为Microde Format。

  每一个Shader程序(Pixel Shader或者Vertex Shader)包含两部分,一部分是CF指令,另一部分是Clause。 这些Clause由CF 指令初始化(或者不恰当的理解成Clause 由CF指令调用)。R600的每一条指令的格式(为了保持和手册上术语的一致,后面将使用Microcode Format这个词)都包含了2 个或者4个DWORD(CF 和ALU为2个DWORD,Vertex Fetch 和Texture Fetch 为4个DWORD,后面在说地址的时候都是以DWORD为单位的),这些Microcode Format可以在“R600 Family Instruction Set Architecture”手册上查阅到。

  下面将使用两个实例来说明R600的指令集。和下面这两个实例等价的GLSL程序大概是这个样子的:

// vertex shader

attribute vec4 a_position;

attribute vec3 a_texture;

varying vec2 v_texCoord;

void main()

{

  gl_Position = a_position;

  v_texCoord = a_texture;

}

 // pixel shader

uniform sample2D sampler;

varying vec2 v_texCoord;

void main ()

{

  gl_FragColor = texture2D(sampler, v_texCoord);

}

  

3 Vertex Shader示例

  下面使用一个具体的实例来说明,下面的程序来自我们的R600 EXA驱动的Copy过程的Vertex Shader(请参考后续章节),按照图2的要求,这段程序被分成了两部分,第一部分是CF指令,共四条指令,指令0~指令3(指令3为空指令,用于对齐),第二部分为取顶点指令,共两条指令,指令4~ 指令5,分别用于取顶点位置坐标和纹理坐标。

int R600_copy_vs(RADEONChipFamily ChipSet, uint32_t* shader)
{
  int i = 0;

  /* 0   指令0 */
  shader[i++] = CF_DWORD0(ADDR(4));
  shader[i++] = CF_DWORD1(POP_COUNT(0), CF_CONST(0),
                COND(SQ_CF_COND_ACTIVE), I_COUNT(2), CALL_COUNT(0),
                END_OF_PROGRAM(0), VALID_PIXEL_MODE(0), CF_INST(SQ_CF_INST_VTX),
                WHOLE_QUAD_MODE(0), BARRIER(1));
  /* 1  指令1 */
  shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD0(ARRAY_BASE(CF_POS0), TYPE(SQ_EXPORT_POS), RW_GPR(1),
                RW_REL(ABSOLUTE), INDEX_GPR(0), ELEM_SIZE(0));
  shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD1_SWIZ(SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), SRC_SEL_Y(SQ_SEL_Y), SRC_SEL_Z(SQ_SEL_Z), 

                SRC_SEL_W(SQ_SEL_W), R6xx_ELEM_LOOP(0), BURST_COUNT(0), END_OF_PROGRAM(0),

                VALID_PIXEL_MODE(0), CF_INST(SQ_CF_INST_EXPORT_DONE), WHOLE_QUAD_MODE(0),
                BARRIER(1));
  /* 2  指令2 */
  shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD0(ARRAY_BASE(0), TYPE(SQ_EXPORT_PARAM), RW_GPR(0),
                RW_REL(ABSOLUTE), INDEX_GPR(0), ELEM_SIZE(0));
  shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD1_SWIZ(SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), SRC_SEL_Y(SQ_SEL_Y),
                SRC_SEL_Z(SQ_SEL_Z), SRC_SEL_W(SQ_SEL_W), R6xx_ELEM_LOOP(0),
                BURST_COUNT(0), END_OF_PROGRAM(1), VALID_PIXEL_MODE(0),
                CF_INST(SQ_CF_INST_EXPORT_DONE), WHOLE_QUAD_MODE(0), BARRIER(0));
  /* 3  指令3*/
  shader[i++] = 0x00000000;
  shader[i++] = 0x00000000;
  /* 4/5 指令4 */
  shader[i++] = VTX_DWORD0(VTX_INST(SQ_VTX_INST_FETCH), FETCH_TYPE(SQ_VTX_FETCH_VERTEX_DATA),
                FETCH_WHOLE_QUAD(0), BUFFER_ID(0), SRC_GPR(0), SRC_REL(ABSOLUTE),
                SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), MEGA_FETCH_COUNT(16));
  shader[i++] = VTX_DWORD1_GPR(DST_GPR(1), DST_REL(0), DST_SEL_X(SQ_SEL_X), DST_SEL_Y(SQ_SEL_Y),
                DST_SEL_Z(SQ_SEL_0), DST_SEL_W(SQ_SEL_1), USE_CONST_FIELDS(0),
                DATA_FORMAT(FMT_32_32_FLOAT), NUM_FORMAT_ALL(SQ_NUM_FORMAT_SCALED),
                FORMAT_COMP_ALL(SQ_FORMAT_COMP_SIGNED), SRF_MODE_ALL(SRF_MODE_ZERO_CLAMP_MINUS_ONE));

  shader[i++] = VTX_DWORD2(OFFSET(0),
  #if X_BYTE_ORDER == X_BIG_ENDIAN
                ENDIAN_SWAP(SQ_ENDIAN_8IN32),
  #else
                ENDIAN_SWAP(SQ_ENDIAN_NONE),
  #endif
                CONST_BUF_NO_STRIDE(0), MEGA_FETCH(1));
  shader[i++] = VTX_DWORD_PAD;
  /* 6/7 指令5 */
  shader[i++] = VTX_DWORD0(VTX_INST(SQ_VTX_INST_FETCH), FETCH_TYPE(SQ_VTX_FETCH_VERTEX_DATA),

                FETCH_WHOLE_QUAD(0), BUFFER_ID(0), SRC_GPR(0), SRC_REL(ABSOLUTE),
                SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), MEGA_FETCH_COUNT(8));
  shader[i++] = VTX_DWORD1_GPR(DST_GPR(0), DST_REL(0), DST_SEL_X(SQ_SEL_X), DST_SEL_Y(SQ_SEL_Y),
                DST_SEL_Z(SQ_SEL_0), DST_SEL_W(SQ_SEL_1), USE_CONST_FIELDS(0), 

                DATA_FORMAT(FMT_32_32_FLOAT), NUM_FORMAT_ALL(SQ_NUM_FORMAT_SCALED),
                FORMAT_COMP_ALL(SQ_FORMAT_COMP_SIGNED),
                SRF_MODE_ALL(SRF_MODE_ZERO_CLAMP_MINUS_ONE));
  shader[i++] = VTX_DWORD2(OFFSET(8),
  #if X_BYTE_ORDER == X_BIG_ENDIAN
                ENDIAN_SWAP(SQ_ENDIAN_8IN32),
  #else
                ENDIAN_SWAP(SQ_ENDIAN_NONE),
  #endif
                CONST_BUF_NO_STRIDE(0), MEGA_FETCH(0));
  shader[i++] = VTX_DWORD_PAD;

  return i;
}

  上面程序的运行过程如

  结合下面这几张图详细描述程序运行的过程。

图3

图4

图5

  图3示,初始状态,图中有两个线程,此刻两个线程正在要两个顶点数据进行处理。

  • CF指令0, 指令0的ADDR位指示程序从地址4处的指令(指令4)开始运行,I_COUNT位指示共执行2条指令(指令4和指令5),执行完后回到指令0,指令0的END_OF_PROGRAM位表明程序还没有结束,继续执行CF指令1。
  • Vertex Fetch Clause,CF的指令0指明程序会从第指令4处开始执行,指令4和指令5构成一个Vertex Fetch Clause,两条指令一起完成取顶点数据,这里是要进行Copy操作,顶点数据包括顶点的位置坐标和纹理坐标。由于是2D操作,因此这里的坐标的有效分量只有两个。 指令4的VTX_INST位表明改指令是一条取数据的指令,从BUFFER_ID为0 的内存处取顶点(FETCH_TYPE)数据,SRC_GPR为索引号所在的源寄存器位置,一次取的数据量为16字节(一个四元向量的大小),取出来的数据被放置在编号为1的寄存器中(DST_GPR),DST_SEL_X(SQ_SEL_X)表明取出来的向量的X分量放置到目的寄存器第一个DWORD位置处,Y分量放置到第二个DWORD(DST_SEL_Y(SQ_SEL_Y)),目的寄存器的第三个DWORD 处被置为0,第四个DWORD 处被置为1(可以使用0,1或者0.5)。指令5和指令4类似,由于所有顶点属性数据已经取完,因此原来存在于GPR0 的地址不再需要,可以覆盖掉。图4。
  • CF指令1和指令2,这是两条输出指令,指令所做的工作如图5示,指令1用于输出顶点的位置坐标(TYPE(SQ_EXPORT_POS)),这条指令从GPR1(RW_GPR(1))中读取数据,将数据输出到Position Buffer 0 中(ARRAY_BASE(CF_POS0))。输出的时候还有一个Swizzle操作,这条指令的Swizzle操作没有变换向量各个分量。指令1的END_OF_PROGRAM标志表明程序还没有结束,因此继续执行指令2,指令2的END_OF_PROGRAM位表明程序至此结束(后面如果还写有指令将不会被执行)。

4 Pixel Shader示例

/* copy ps --------------------------------------- */
int R600_copy_ps(RADEONChipFamily ChipSet, uint32_t* shader)
{
  int i=0;

  /* CF INST 指令 0 */
  shader[i++] = CF_DWORD0(ADDR(2));
  shader[i++] = CF_DWORD1(POP_COUNT(0), CF_CONST(0), COND(SQ_CF_COND_ACTIVE), I_COUNT(1),
              CALL_COUNT(0), END_OF_PROGRAM(0), VALID_PIXEL_MODE(0), CF_INST(SQ_CF_INST_TEX),
              WHOLE_QUAD_MODE(0), BARRIER(1));
  /* CF INST 指令 1 */
  shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD0(ARRAY_BASE(CF_PIXEL_MRT0), TYPE(SQ_EXPORT_PIXEL), RW_GPR(0),
              RW_REL(ABSOLUTE), INDEX_GPR(0), ELEM_SIZE(1));
  shader[i++] = CF_ALLOC_IMP_EXP_DWORD1_SWIZ(SRC_SEL_X(SQ_SEL_X), SRC_SEL_Y(SQ_SEL_Y), 

              SRC_SEL_Z(SQ_SEL_Z), SRC_SEL_W(SQ_SEL_W), R6xx_ELEM_LOOP(0), BURST_COUNT(1),
              END_OF_PROGRAM(1), VALID_PIXEL_MODE(0), CF_INST(SQ_CF_INST_EXPORT_DONE),
              WHOLE_QUAD_MODE(0), BARRIER(1));
  /* TEX INST 指令 2 */
  shader[i++] = TEX_DWORD0(TEX_INST(SQ_TEX_INST_SAMPLE), BC_FRAC_MODE(0), FETCH_WHOLE_QUAD(0),
              RESOURCE_ID(0), SRC_GPR(0), SRC_REL(ABSOLUTE), R7xx_ALT_CONST(0));
  shader[i++] = TEX_DWORD1(DST_GPR(0), DST_REL(ABSOLUTE), DST_SEL_X(SQ_SEL_X), /* R */ 

              DST_SEL_Y(SQ_SEL_Y), /* G */
              DST_SEL_Z(SQ_SEL_Z), /* B */
              DST_SEL_W(SQ_SEL_W), /* A */
              LOD_BIAS(0),
              COORD_TYPE_X(TEX_UNNORMALIZED), COORD_TYPE_Y(TEX_UNNORMALIZED),
              COORD_TYPE_Z(TEX_UNNORMALIZED), COORD_TYPE_W(TEX_UNNORMALIZED));
  shader[i++] = TEX_DWORD2(OFFSET_X(0), OFFSET_Y(0), OFFSET_Z(0), SAMPLER_ID(0), SRC_SEL_X(SQ_SEL_X),
              SRC_SEL_Y(SQ_SEL_Y), SRC_SEL_Z(SQ_SEL_0), SRC_SEL_W(SQ_SEL_1));
  shader[i++] = TEX_DWORD_PAD;

  return i;
}

  这里总共三条指令,其中CF指令0和CF指令1是两条CF指令,TEX指令2是一条取纹理的指令。

  指令0表明程序将从addr为2的指令2处开始执行,指令2是一条texture fetch 指令,这条指令根据GPR0中给出的纹理坐标(SRC_GPR(0),根据前面semantic的配置,被插值的纹理坐标存放在GPR0中)从id号为0的纹理资源中取出纹理值,放入到GPR0中(DST_GPR(0x0))。

  取纹理操作完成后,执行指令1,指令1是一条输出指令,将取到的纹理直接放到Render target 0(ARRAY_BASE(CF_PIXEL_MRT0))上去。

  

  R600显卡的指令远不止以上这些,读者在理解上面的内容之后,阅读R600指令集手册将不会有太大困难,感兴趣的可以深入进去了解更多的指令。

 

posted on 2014-11-29 23:25  tuituji  阅读(1274)  评论(1编辑  收藏

导航