Directx11教程(13) D3D11管线(1)

从本篇教程开始，我们暂停代码的学习，先来了解一下D3D11的管线，这些管线不涉及具体的硬件，而是着重于理解能够支持D3D11的管线实现。

参考资料：

http://fgiesen.wordpress.com/2011/07/01/a-trip-through-the-graphics-pipeline-2011-part-1/

通过前面的教程，我们知道，要用D3D11画一个三角形，我们需要做以下步骤：

这些步骤大致分为四个阶段，初始化阶段，数据装配阶段，shader执行阶段，以及合并输出阶段。这些步骤最终会在D3D11硬件设备上上执行。

我们知道，显卡都有驱动程序，也就是driver，通过driver，windows系统才能和显卡硬件进行交互，完成渲染任务。

通常显卡(GPU)的driver有D3D driver和OpenGL driver。由于微软各代D3D 之间并不完全兼容，所以D3D driver有分为D3D9 driver，D3D10 driver，D3D11 driver, D3D12 driver 等等。

首先是我们的3D应用程序, 它通过调用D3D11 API函数，实现创建资源(比如顶点缓冲)，设置状态(比如深度模版状态)，调用drawIndex函数等等。

D3D运行库会跟踪我们设置的状态，验证函数的参数是否正确，验证shader代码以及shader链接库，编译shader(把shader从原始的HLSL编译成DX ASM, dx的汇编格式shader)，另外它还有内存管理以及设备管理的功能。DX运行库的会把应用程序的调用最终传送到用户模式driver(UMD)中，从某种程度上来说，我们可以把DX运行库看成一个包装器，它是应用程序和UMD之间的接口。

UMD(user mode driver)是指用户模式driver，它其实就是一些动态链接库(dll),完全运行在cpu端。GPU厂商都愿意把更多的功能写入UMD，因为其仅是一个dll，容易调试、可以实现多线程操作（比如一个线程编译shader，一个线程处理纹理），即使UMD崩溃了，也不会引起系统蓝屏，因为它和我们普通的应用程序没有本质区别。

UMD主要功能：编译shader(把DX ASM编译成特殊的IL，中间语言，再编译成对应硬件的机器码)，转化应用程序的状态设置和drawcall到硬件识别的packet，并把packet放入到command buffer，另外UMD也有一些内存管理功能，比如虚拟地址管理。

UMD最终会产生GPU中各个引擎的workload，比如图形引擎，视频编解码引擎，DMA引擎，computer引擎等等，这些workload都以command buffer的形式传到KMD中，再传给相应的硬件引擎，让它们去做这些工作。

在UMD中，BLT操作管理是处理2D功能，主要就是buffer操作，比如stretch blt，color buffer clear，msaa resolve，内存copy等待。地址库决定memory的布局，比如tile mode，对齐方式，swizzle操作等待。

UMD中还有特殊硬件处理层和特殊软件处理层，因为现在driver都是统一架构的，一套driver驱动不同代的显卡，所以UMD中特殊硬件处理层就是对特殊硬件进行一些操作，比如某代显卡有bug，可能就要在这个特殊处理层中进行一些补救操作。针对某些特殊软件的优化就放在特殊软件处理层中处理，比如某些跑分程序。

在UMD和KMD之间还有DXGI，这是微软的DirectX图形基础架构，它的设计主要是进行一些底层的操作，它可以看作是KMD的运行库，现在微软把越来越多的底层管理放入到了DXGI中。比如显存管理，commandbuffer的调度，同步操作，present后缓冲到前缓冲，显示器的管理等等。3D应用程序也可以直接访问DXGI一部分功能，比如枚举系统中使用的显卡。

KMD( kernel mode driver),是指Kernel模式driver，KMD负责直接和硬件打交道，可能在系统中有多个UMD实例，但KMD只能有一个。一旦KMD崩溃，操作系统可能会出现蓝屏错误，KMD主要功能包括：

1、在多个应用程序使用GPU的情况下，KMD通过slice time分时操作来管理应用程序。

比如在一个时间片内一个app进行物理内存操作，另一个时间片内另一个app初始化GPU，设置显示模式等，在不同app间切换时，就需要context switch，响应中断等。

2、ASCI的初始化，一套driver会对应多代的显卡，ASIC这儿就是指不同代的显卡，它们可能架构不同，KMD要针对当前的硬件，选择合适的ASCI设置。

3. 电源管理，GPU内存资源的分配，回收。

4. command buffer提交到GPU硬件，以便GPU硬件开始buffer中的packet。

下图为d3d11 api和driver的交互框图，从中我们可以清晰的理解D3d api如何转化为硬件的packet，并被提交到硬件引擎的ring buffer。