本文是《深入Linux GPU AMD GPU渲染与AI技术实践》读书笔记，以通俗简洁的方式重述知识。
干货长文预警，建议您做好准备。
关键词： Linux GPU 计算机图形学

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导读

书接上文，应用如果想使用硬件绘制图形，大多需要调用图形API（使用图形库）。所谓图形API，就是将底层的硬件交互封装、屏蔽起来，给开发者一套较为简单易用的标准接口用来绘图。
图形API向上接受程序的绘图指令，向下调用显卡驱动并发出翻译后的指令。本章是对于图形API的讲解，向下的细节暂不涉及。
注意：标准与标准的实现往往是分开的。图形API属于前者。图形API的实现，比如Mesa，后文再做解读。

图形API

是什么？

图形API（Application Programming Interface）是一组用于渲染2D/3D图形的编程接口，允许开发者直接调用硬件加速的图形功能。

干什么的？

• 硬件抽象：封装显卡驱动和硬件指令，简化图形渲染流程。
• 跨平台支持：如OpenGL支持多操作系统，DirectX主要针对Windows平台。
• 高性能渲染：通过GPU加速处理复杂的几何计算、光影效果等。

工作流程是？

一、应用层调用

1. 开发者使用图形 API 提供的函数来描述他们想要渲染的场景。包括设置状态（VkPipeline）、加载数据（VkBuffer）、使用绘制指令（vkCmdDraw）。
2. 程序将渲染指令记录到缓冲区（VkCommandBuffer）中。

二、驱动层优化与转换

1. 显卡驱动介入工作，开始实时追踪API调用时的状态机转换（OpenGL、DX11等传统状态机API特有的过程，下文同义）。
2. 驱动程序将API调用的指令（SPIR-V、HLSL等中间语言）翻译为显卡支持的指令集，并进行优化（JIT）。
3. 尝试对指令进行批处理（OpenGL、DX11）。

三、命令提交、调度与执行

驱动程序将指令提交到命令队列中，随后GPU进行后续操作。
有关GPU队列、调度、执行的细节，后续文章会讲解。本文主要聚焦图形API的部分。

现实中有哪些？

DirectX

• 开发者/管理机构： Microsoft (微软)
• 特点：
  • 平台限制： 仅限于 Microsoft Windows 和 Xbox 平台使用。
  • 捆绑性： 作为 Windows 操作系统的核心组件之一，与 Windows 的版本更新紧密关联。
  • 架构： 在不同的版本（如 DirectX 11、DirectX 12）中，架构差异较大。

OpenGL

• 开发者/管理机构： Khronos Group（最初由 Silicon Graphics 推出）
• 特点：
  • 跨平台性： 最大的优势，支持 Windows、macOS、Linux、Android、iOS 等几乎所有主流操作系统。
  • 开放标准： 顾名思义，它是一个开放的、被广泛接受的标准。
  • 架构： 早期版本是状态机模型，对 CPU 的优化不如现代 API，因此在驱动层面的开销可能较大。

Vulkan

• 开发者/管理机构： Khronos Group (与 OpenGL 同一机构)
• 特点：
  • 跨平台性： 与 OpenGL 类似，支持 Windows、Linux、Android 等（在 macOS/iOS 上常通过 MoltenVK 间接实现）。
  • 架构： 它是被誉为 “OpenGL 的继任者”，采用了底层/低开销 (Low-Overhead) 设计理念。
  • 性能提升： 将大量的驱动程序工作（如同步、资源管理）交给了开发者，从而显著减轻了 CPU 负担，更有效地利用多核 CPU，提高渲染性能。

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Vulkan API初探

有哪些组件？

Vulkan API 作为一个现代的、低开销的图形 API，其架构设计与传统的 OpenGL 或 DirectX 11 有着显著的不同，它将大量的控制权交给了开发者，开发者需要手动管理之前由驱动程序隐式处理的几乎所有内容，从而实现对 GPU 的最大化利用和多核 CPU 的高效调度。

Vulkan 架构的核心理念是：

1. 预先编译状态 (Immutable State)： $VkPipeline$ 是一个静态、不可变的状态，一旦创建，改变状态需要创建新的管线。
2. 显式同步 (Explicit Synchronization)： 开发者必须使用 $VkFence$ 和 $VkSemaphore$ 来手动管理所有依赖关系。
3. 底层资源管理 (Low-Level Resource Management)： 内存分配和绑定必须由开发者手动完成。

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1. 管理组件 (Management Components)

这部分组件负责 Vulkan 环境的初始化、连接硬件以及设置通信通道。

组件名称	英文/简称	作用与特点
实例	$VkInstance$	代表 Vulkan 应用程序的运行时连接。它是应用程序与 Vulkan 库本身交互的起点。它负责管理层（Validation Layers）的设置。
物理设备	$VkPhysicalDevice$	代表系统中的一个硬件设备（如一张 GPU 显卡）。它用于查询设备的能力、队列系列 (Queue Families) 等信息。
逻辑设备	$VkDevice$	应用程序与物理设备建立的通信接口。它负责创建所有实际的 Vulkan 对象（如管线、缓冲区、纹理等）。
队列	$VkQueue$	GPU 上的命令执行点。GPU 任务通常分为图形 (Graphics)、计算 (Compute) 和传输 (Transfer) 等不同队列系列，用于提交命令缓冲区。

2. 管线组件 (Pipeline Components)

管线（Pipeline）是 Vulkan 中最重要的概念之一。它描述了图形数据从输入到屏幕输出的完整、不可变的流程。

组件名称	英文/简称	作用与特点
管线	$VkPipeline$	一个不可变的状态对象，定义了 GPU 上所有阶段的固定功能状态（如混合、深度测试）和可编程着色器（Shader）。
着色器模块	$VkShaderModule$	封装了 SPIR-V 字节码（Vulkan 的中间表示语言）的模块。在创建管线时，这些模块会被链接到相应的阶段。
管线布局	$VkPipelineLayout$	定义了管线可以访问的资源接口，包括描述符集布局 ($VkDescriptorSetLayout$) 和推送常量 ($PushConstants$)。
渲染通道	$VkRenderPass$	定义了一组渲染操作（包括颜色、深度、模板附件）的输入、输出和过渡。所有的绘制命令都必须在 $VkRenderPass$ 内部执行。

3. 资源组件 (Resource Components)

这些组件用于管理 GPU 上的数据和内存。开发者必须显式地分配内存并将数据绑定到资源上。

组件名称	英文/简称	作用与特点
图像	$VkImage$	代表 2D 或 3D 纹理、渲染目标、深度/模板缓冲区等。它只定义了数据的布局。
缓冲区	$VkBuffer$	存储通用数据（如顶点数据、索引数据、统一缓冲区 $UniformBuffer$ 等）的线性内存。
内存对象	$VkDeviceMemory$	物理设备上的实际裸内存块。开发者必须查询内存类型、分配内存，并显式地将缓冲区或图像绑定到这块内存上。
描述符集	$VkDescriptorSet$	类似于 DirectX 或 OpenGL 中的“资源槽位”。它将管线布局 (Pipeline Layout) 中定义的资源接口，与实际的缓冲区、图像资源关联起来。

4. 同步组件 (Synchronization Components)

由于 Vulkan 采用多线程命令提交和异步 GPU 执行模型，同步机制变得至关重要，用于确保操作按正确的顺序执行并正确访问共享资源。

组件名称	英文/简称	作用与特点
命令缓冲区	$VkCommandBuffer$	记录所有 GPU 命令（如绘制、调度、传输）的对象。它在 CPU 上创建，然后提交给队列 ($VkQueue$) 在 GPU 上执行。
围栏	$VkFence$	主要用于CPU 与 GPU 之间的粗粒度同步。CPU 可以等待一个围栏，直到相应的 GPU 命令执行完毕。
信号量	$VkSemaphore$	主要用于GPU 内部，在不同队列或不同命令缓冲区之间进行细粒度同步。例如，确保渲染操作在呈现操作之前完成。
事件	$VkEvent$	用于在命令缓冲区内进行非常细粒度的同步。GPU 可以设置或等待一个事件，允许更灵活和动态的同步。

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怎么与AMD GPU驱动合作？

Vulkan API 与 AMD GPU 驱动之间的联系是“映射”与“翻译”的关系。

由于 Vulkan 的设计初衷很大程度上受到了 AMD Mantle API 的启发，它与 AMD 的 GCN（Graphics Core Next）及 RDNA 架构有着天然的契合度。AMD 驱动程序不再像 OpenGL 时代那样充当“保姆”或“猜测者”，而是充当一个极薄的转换层，将 Vulkan 的显式指令直接映射到 AMD 的硬件单元上。简而言之，Vulkan 是控制台，AMD 驱动是极简的翻译器，AMD GPU 是执行工厂。

以下从 队列（Queues）、资源（Resources） 和 并行（Parallelism） 三个维度详细分析这种功能联系：

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1. 队列 (Queues) 与 硬件调度器

Vulkan 的队列系统（Queue Families）与 AMD GPU 的硬件调度单元有着直接的物理对应关系。

• Vulkan 层面：
  • Vulkan 暴露了不同类型的队列族（Queue Families），主要包括：图形 (Graphics)、计算 (Compute) 和 传输 (Transfer/Copy)。
  • 开发者通过 vkQueueSubmit 将命令提交给这些队列。
• AMD 驱动与硬件映射：
  • ACE (Asynchronous Compute Engines)： AMD GPU 硬件内部拥有专门的 ACE 单元。AMD 驱动程序会将 Vulkan 的计算队列 ($VkQueue$ with COMPUTE_BIT) 直接映射到这些 ACE 上。
  • GCP (Graphics Command Processor)： Vulkan 的图形队列被映射到 GCP 上。
  • DMA 引擎： Vulkan 的传输队列被映射到硬件的 DMA 控制器上，用于高速数据拷贝，不占用着色器资源。
• 功能联系核心 —— 异步计算 (Async Compute)：
  这是 AMD 驱动与 Vulkan 结合最紧密的地方。AMD 驱动允许同时向 Graphics Queue 和 Compute Queue 提交任务。硬件调度器（HWS）能够并行执行这两类任务：
  • 当图形管线（如光栅化）正在忙碌但并未占满所有计算单元（CU/WGP）时，ACE 会利用空闲的计算单元去处理 Vulkan 计算队列中的任务（如物理模拟、后期处理）。
  • 结果： 极大提高了 GPU 的利用率，填补了流水线气泡。

2. 资源 (Resources) 与 显存管理

Vulkan 放弃了驱动层的隐式内存管理，要求开发者显式控制，这使得 AMD 驱动可以将底层的内存架构直接暴露给应用。

• Vulkan 层面：
  • 对象：$VkDeviceMemory$（显存块）、$VkBuffer$（缓冲）、$VkImage$（图像）。
  • 同步：管线屏障 ($VkCmdPipelineBarrier$) 和 布局转换 ($ImageLayoutTransition$)。
• AMD 驱动与硬件映射：
  • 堆 (Heaps) 的暴露： AMD 驱动通过 vkGetPhysicalDeviceMemoryProperties 直接暴露显卡的物理内存堆，例如 Device Local (高速显存 VRAM) 和 Host Visible (CPU 可见内存，利用 PCIe BAR 大小调整技术，即 SAM/Re-Size BAR)。
  • 虚拟地址空间： 驱动负责维护 Vulkan 逻辑地址到 GPU 物理地址的页表映射。
  • 屏障与缓存控制 (The Crucial Link)：
    • 当开发者在 Vulkan 中设置一个管线屏障（例如，等待片元着色器写完，再让计算着色器读）时，AMD 驱动将其翻译为特定的硬件指令，如 WAIT_REG_MEM 或缓存刷新指令（Cache Flush/Invalidate）。
    • AMD 的 RDNA 架构非常依赖这种显式同步。驱动不再猜测何时刷新缓存，而是完全依赖 Vulkan 指令。如果开发者屏障设置错误，就会直接导致 AMD GPU 上的读写冲突或图形损坏。
  • DCC (Delta Color Compression)： 驱动程序会在创建 $VkImage$ 时，根据标志位决定是否启用 AMD 专有的色彩压缩技术来节省带宽。

3. 并行 (Parallelism) 与 指令执行

Vulkan 的并行体现在两个层面：CPU 端的命令记录并行，和 GPU 端的指令执行并行。

• CPU 端并行（多线程录制）：
  • Vulkan 机制： 多个 CPU 线程可以同时向不同的 $VkCommandBuffer$ 录制命令。
  • AMD 驱动作用： 由于 Vulkan 驱动去除了全局锁（Global Lock）且不再进行复杂的错误检查（Validation），AMD 驱动在 vkCmdDraw 等调用中的 CPU 开销极低。这使得 AMD CPU + AMD GPU 的组合在 Vulkan 游戏中往往能表现出极佳的多核缩放性能。
• GPU 端并行（着色器执行）：
  • SPIR-V 到 ISA 的编译： 开发者提交的是 SPIR-V（中间码）。AMD 驱动中的编译器组件负责将其编译为 ISA (Instruction Set Architecture)，即 GCN 或 RDNA 汇编代码。
  • Wavefronts (波前)：
    • AMD GPU 以 Wavefront（通常是 32 或 64 个线程一组）为单位执行指令。
    • 驱动程序分析 Vulkan 的 $VkPipeline$ 和 Shader，优化寄存器（VGPR/SGPR）的使用量，以决定在每个计算单元（CU）上能同时运行多少个 Wavefront（即 Occupancy，占用率）。
  • 子组操作 (Subgroup Operations)： Vulkan 的 Subgroup 特性直接对应 AMD 硬件的 Cross-Lane Operations（线程间通信），允许一个 Wavefront 内的线程快速交换数据，无需通过显存，极大提升了并行效率。

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