一、Pipeline簡介

Vulkan中的管線分為兩種：Compute Pipeline 和 Graphics Pipeline。

這兩種Pipeline的作用跟其他CG API并沒有太大的差別。

Compute Pipeline 用于異構(gòu)并行計(jì)算，Graphics Pipeline 用于繪制渲染。

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1.1 Compute Pipeline

1965年英特爾（intel）創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾提出著名的摩爾定律：集成電路上可容納的元器件的數(shù)量每隔18至24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。

從此，摩爾定律成為了推動半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的“自我實(shí)現(xiàn)”的預(yù)言。

但是隨著行業(yè)的發(fā)展，摩爾定律越來越難以實(shí)現(xiàn)。2019年英偉達(dá)（Nvidia）CEO黃仁勛在CES 2019展會上表示：“摩爾定律過去是每5年增長10倍，每10年增長100倍。而如今，摩爾定律每年只能增長幾個百分點(diǎn)，每10年可能只有2倍。因此，摩爾定律結(jié)束了?！?/p>

黃仁勛聲稱摩爾定律已經(jīng)失效，他說這番話也許有商業(yè)原因，但是一個真實(shí)的行業(yè)情況就是：在人工智能、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)興起的背景下，CPU算力越來越捉襟見肘。

行業(yè)對算力的強(qiáng)烈需求，推動了異構(gòu)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。

Vulkan在設(shè)計(jì)之時就已經(jīng)將支持異構(gòu)并行計(jì)算納入考慮范圍。Compute Pipeline就是為此而生。

Vulkan 的Compute Pipleline比較簡單，API也比較少，基本上我們只需要關(guān)注shader本身就好。

1.2 Graphics Pipeline

相比于Compute Pipleline，Vulkan的Graphics Pipeline更加復(fù)雜，Rasterzation(光柵化)、Shading(著色)、Geometry (幾何著色)、Tessellation （細(xì)分）... ... 這些年虐過你的功能一個不少。

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在Vulkan中，配置Graphics Pipeline需要三個步驟：

• 提供shader
• 綁定資源
• 管理狀態(tài)

后兩者是本文要講的重點(diǎn)。

二、Pipeline State Management

從早期開始，OpenGL 狀態(tài)機(jī)就提供了更細(xì)顆粒度的狀態(tài)控制。

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精細(xì)顆粒度的控制對驅(qū)動程序帶來了負(fù)擔(dān)，驅(qū)動程序不得不對狀態(tài)進(jìn)行緩存和運(yùn)行時編譯（JIT）。

但是現(xiàn)在新的API，幾乎把整個GPU state vector封裝到一個object中。

比如，如果你想切換狀態(tài)，是通過切換pipeline state A和pipeline state B。而不是想OpenGL中那樣更改標(biāo)志位。

這樣粗顆粒度的狀態(tài)對象的優(yōu)勢是方便驅(qū)動程序的編譯和驗(yàn)證，有助于避免在狀態(tài)改變時造成的暫停現(xiàn)象。

Vulkan的Pipeline狀態(tài)管理參考的是Mantel，提供了Pipeline State Object（PSO）進(jìn)行狀態(tài)管理：

• Vertex input state
  • Vertex input state用來管理Vertex數(shù)據(jù)的位置、索引、布局等信息
• Input assembly state
  • Input assembly state管理定點(diǎn)數(shù)據(jù)的組織方式（點(diǎn)、線、三角形...）
• Tessellation State
  • Tessellation State管理Tessellation control shader 和 Tessellation evaluation shader的狀態(tài)
• Rasterization state
  • Rasterization state用來管理光柵化的一些狀態(tài)，包括多邊形的填充模式（PolygonMode）、剔除模式（正面剔除、背面剔除）、深度信息的處理
• Color Blend state
  • Color Blend是Vulkan Graphics Pipeline的最后階段，這個階段負(fù)責(zé)將片段寫入color attachments。在許多情況下，這是一個簡單的操作，僅用Fragment Shader輸出的值覆蓋attachments中的值。除此之外，color blend還可以將這些值與FrameBuffer中的值混合，并進(jìn)行簡單的邏輯運(yùn)算。
• Viewport state
  • Viewport state用來管理Viewport，Viewport會將設(shè)備坐標(biāo)（device coordinate）轉(zhuǎn)換為窗口坐標(biāo)（window coordinate），是進(jìn)行光柵化之前最后一次坐標(biāo)變換
• Depth/Stencil state
  • Depth/Stencil state控制著Depth和Stencil測試的方式
• Multi-Sampling State
  • 多重采樣的目的是為了抗鋸齒，Multi-Sampling State管理多重采樣

Dynamic state

• Graphics Pipeline很復(fù)雜，包含很多狀態(tài)，一些圖形應(yīng)用希望能以更高的頻率更改某些狀態(tài)。如果每種狀態(tài)更改都要創(chuàng)建一個新的Pipeline對象，非常不利于管理。
• Dynamic state可以管理viewport、stencil、line widths（線寬）、blending constants、stencil comparison masks等狀態(tài)。應(yīng)用無需重建Pipeline對象，只需要通過Command Buffer就可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)更新

三、Resource Binding

Vulkan的資源綁定涉及到以下幾個概念：

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

了解DirectX12（D3D12）的同學(xué)更容易接受Descriptor Set、Descriptor binding這些概念，因?yàn)閂ulkan的綁定模型（Binding model）一部分參考了DirectX12（D3D12）的設(shè)計(jì)理念。

3.1 Descriptor

Descriptor是一個GPU特定編碼格式的數(shù)據(jù)塊。Descriptor所指的內(nèi)容不同，就可以表示不同的數(shù)據(jù)類型。比如指向紋理的texture descriptor可能包括指向紋理數(shù)據(jù)的指針，以及寬度/高度，格式等信息。

由于不同的GPU存儲信息的方式不同，所以API中并沒有對應(yīng)用暴露format信息。

Descriptor的內(nèi)存不可以分配和釋放，只能write，copy 和 move。

3.2 Descriptor Set

Descriptor Set是一個綁定在Pipeline上資源集合。多個Descriptor Set可以同時綁定到一個Pipeline上。

每個Descriptor Set都有一個layout，Descriptor set Layout會控制當(dāng)前資源集中的資源排布方式，給shader提供了讀取資源的接口。

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Descriptor set layout本質(zhì)上是Descriptor bindings的集合。Descriptor binding可以是一個 texture descriptor、buffer descriptor或者sampler descriptor等descriptor。

正是通過Descriptor binding，Descriptor Set才實(shí)現(xiàn)了shader和資源的綁定，方便了shader對資源的讀寫操作。

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3.3 Pipeline layout

Pipeline layout是由Pipeline可以訪問的由descriptor set layouts 和 push constant ranges組成，它表示Pipeline可以訪問的完整資源集。

其中，Push constant 提供了一個快速更新shader中常量的方法。

3.4 Binding model

我們把上述元素組織在一起，就是vulkan資源的綁定模型。

Descriptor Set包含一組Descriptor和Descriptor Set layout：

• 每個Descriptor都可以表示不同的數(shù)據(jù)類型
• Descriptor Set Layout由Descriptor binding組成，會控制每個Descriptor的排列方式
• Descriptor binding將Descriptor和shader進(jìn)行綁定，給shader提供了對資源操作的接口。

Constants register array（Root Table） 把多個Descriptor Set 和 push constant組織在一起。

Pipeline layout 表示整個渲染管線的資源布局。

最后我們來看一下整體架構(gòu)的示意圖：

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參考文檔：

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