关于D3D11，你必须了解的几件事情

Posted 2022-06-04 wolf96

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了关于D3D11，你必须了解的几件事情相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

仅以此文献给那些自以为了解D3D11的专家

D3D11正式发布已经有两年多了。在这短短的时间里，各GPU厂商都相继推出了支持D3D11的显卡，许多游戏引擎也迅速推出了对D3D11的支持。但在国内，D3D11的接受度几乎为零。国内很多“大”游戏公司的“技术人员”对于D3D11完全出于一知半解的状态，却又在不懂装懂地指手画脚。

关于D3D11，有些事情你确实必须了解。

Feature Level

从KlayGE 3.11.0发布以来，几乎每个月都会听见有人问我，“为什么要去掉D3D9和D3D10插件，仅保留D3D11和OpenGL？”。（最近这个频率显著提高，基本到了每周1-2次的程度）。在他们的观点里，D3D11就得在D3D11的硬件上跑，而现在D3D11硬件尚未普及，这么做会影响到 KlayGE在D3D10硬件上的运行。我对这类问题的回答一般是非常冰冷的“为什么不了解D3D11就枉加评论”。

D3D11的一个最基本知识就是feature level。其实这不是新发明，在D3D 10.1的时候就提出来了，只是因为D3D 10.1的使用量实在太小，直接被忽略了。feature level对D3D11的功能进行了划分，不同功能所需要的最低硬件要求是不同的。feature level的存在使得D3D11 runtime可以在D3D10甚至D3D9的硬件上执行。下面我们从低到高看一些各个feature level所能做的事情。

Feature level	典型显卡	能力
D3D_FEATURE_9_1	Intel G965，NV GeforceFX 5200，ATI Radeon 9600	D3D9硬件：必须支持SM2，2k大小的纹理，3D纹理，query，BC1-3
D3D_FEATURE_9_2	NV GeforceFX 5600，ATI Radeon 9500	D3D9硬件：必须支持SM2，occlusion query，浮点纹理，所有9_1的功能
D3D_FEATURE_9_3	NV GeforceFX 6600, ATI Radeon X1300	D3D9硬件：必须支持SM2b，instancing，4k大小的纹理，MRT，浮点纹理混合，所有9_2的功能
D3D_FEATURE_10_0	NV Geforce 8800/GTX 280	D3D10 硬件：必须支持SM4，geometry shader，stream output，alpha to coverage，MSAA纹理，双面stencil，texuture array，BC4/5，所有9_3的功能；可选支持compute shader 4.0
D3D_FEATURE_10_1	ATI Radeon HD 2/3/4，NV Geforce GT220	D3D10.1硬件：必须支持SM4.1，cubemap array，扩展的MSAA，所有10_0的功能；可选支持compute shader 4.1
D3D_FEATURE_11_0	ATI Radeon HD 5/6， NV Geforce GTX 4/5	D3D11硬件：必须支持SM5，tessellation，hull shader，domain shader，compute shader 5，BC6H/BC7，所有10_1的功能

所以很明显，D3D11并不一定要D3D11的GPU。在D3D10的GPU上，D3D11的功能相当于原有D3D10的，加上compute shader 4.0，以及可能有multi-threading。性能取决于厂商驱动，目前来说性能可以做到和D3D10完全一致。在D3D9的GPU上的也可以类比出来。唯一不同的是vertex texture fetch，即使level 9_3也只有instancing而没有VTF。其实在SM3的GPU上，NV的6系列和7系列的VTF性能和支持的纹理格式特别差，使得VTF的实用性很有限。ATI更是一直放弃了VTF，自己搞出来R2VB的方法，性能上远超VTF。后期的驱动里，NV的SM3 GPU也都支持R2VB了，所以R2VB反而后来居上成为通用的功能。除此之外，D3D11在早期硬件上执行，只会带来好处，没有损失。

有了feature level这个重要的能力，D3D10已经完全没有存在的必要。所以，KlayGE、CE3、UE3这些渲染技术一流的游戏引擎全都不约而同地跳过或者删除了D3D10的支持，直奔D3D11。

顺便说说D3D9。目前D3D9存在的唯一理由是广大的XP用户。但实际上很多人都是有D3D10的GPU，而因为XP被限制在了D3D9上。其实XP下的 OpenGL驱动也是与时俱进的，可以给XP带来原本属于D3D10/11的新GPU能力，又没有性能损失。因此KlayGE坚决地去掉了D3D9，让 OpenGL接手D3D9在XP上的任务。

Optional Features

当年D3D10在宣传的时候，有个好处就是没有caps。在D3D9时代，caps几乎折磨了每一个程序员。实现某个功能之前经常需要根据caps作判断，来选择不同的方法。D3D10去掉了所有的caps，要求硬件都必须达到某个规范，解放了caps测试。

话虽如此，实际上D3D10还是留了一手。ID3D10Device和ID3D11Device里面都有个叫作CheckFormatSupport的函数，可以检查某个格式是否支持，只是可选的范围非常窄罢了。（理论上驱动还可以通过这种方式暴露出D3D1x本身不支持的古怪格式，就好象它们在D3D9 时代做的事情一样）

用过D3D10的人一般会发现，D3D10不支持ARGB这种D3D9上最常用的颜色格式，然后开始抓狂。其实按照定义，那个格式在D3D11里面应该是这样的：对feature level 9_x和11_0是必须支持，对feature level 10_x是可选支持。所以解决方法很简单，升级到D3D11就是了。

另外，feature level 11_0还必须支持R10G10B10_XR_BIAS_X2_A2_UNORM（我也不知道这个格式是做什么的），而feature level 10_x是可选支持，9_x是不支持。在D3D11里，格式的支持情况一般取决于feature level，所以直接通过feature level检查就可以了，大可不必每个格式每次逐一检查。

除了CheckFormatSupport之外，D3D11还增加了 CheckFeatureSupport这个函数，用来检查multithread、double、atomic、compute shader 4.x是否支持。所以说，caps不是完全消失，而是尽可能变少。但保证剩下的都是有意义的，不能随便忽视。

Compute Shader

compute shader（也叫DirectCompute）是D3D11新增的主要功能之一。在D3D11的GPU上，compute shader是完整的5.0版本，而在D3D10.x的GPU上，compute shader有个简化的4.x版。两者的具体差别请见Compute Shaders on Downlevel Hardware。

CS 4.x的一个很重要缺点是不支持RWTexture，所以shader无法写入texture，只能写入buffer。（这是NV造成的。AMD的硬件很早就可以做到写入RWTexture，但因为CS 4.x要求同时兼容NV和AMD，所以就放弃了写入RWTexture的要求。相信用过CUDA 2.0之前的朋友也了解这件事情）结果就是无法把CS 4.x用于post process这样的操作。有个解决方案是compute shader的结果都写到buffer，要让图形流水线用的时候调用一个pixel shader来把buffer转到texture中。CS 4.x可以把texture和buffer作为输入、buffer作为输出，而D3D11下的PS 4.x可以把texture和buffer作为输入、texture作为输出，所以可以把两者结合来实现从texture到texture的流水线。

但是，不管是CS 4.x还是5.0，从CS转回图形流水线的时候，在NV的卡上都会出现一个明显的几毫秒延迟。所以每一帧的切换次数要尽量减少。在AMD卡完全没这个问题。

CS 4.x还有一个重要缺点，每个thread虽然可以读任意地址的shared memory，但只能写入自己对应的shared memory单元，所以没办法用CUDA里面常用的stride布局。（这是AMD的实现限制。还是因为有兼容的要求，所以就算NV能做到也不行了）常见的做法是，声明一个结构体，里面有自己要用到的所有共享变量。用这样的结构体来声明shared memory，就可以写入多个值。

Multi-threaded

D3D11 加入了显式的multi-threaded支持。它把D3D10的接口分成两部分。负责建立资源的那些函数属于ID3D11Device，剩下的都分到了 ID3D11DeviceContext。ID3D11Device是线程安全的，如果驱动不支持并行建立资源，runtime就会通过加锁来保证线程安全（除非用D3D11_CREATE_DEVICE_SINGLETHREADED来强制关闭这一点）。ID3D11DeviceContext是没有线程安全的，得由上层代码自己处理。

D3D11的device context分为Immediate Context和Deferred Context两种。Immediate context的命令都会立刻得到执行，deferred context则是把命令存在列表里，等他被提交的时候才开始执行。因为在调用Draw的时候，CPU需要做一些额外的事情，所以如果Draw call被分散到多个core去执行，是会有性能提升的。

高性能地使用这个多线程是需要驱动支持的。现在的GPU一般都有多个command unit，但驱动往往不开放多线程的功能。目前不论是D3D11还是D3D10级别的，都不支持Multi-threaded，所有的deferred context都是软件实现的，所以性能并无提高、反而降低。希望某天驱动能完善到支持它的程度，这才能真正让开发人员用上高效的deferred context。

Tessellation

很多人会说D3D11增加了tessellation shader这个stage，但真相是增加了hull shader、tessellator和domain shader三个stage。Hull shader的输入是patch的控制点（三角形、四边形这样的图元，最多有32个控制点），计算出tessellation等级、确定 tessellation的方法等。它的输出被送给固定单元的tessellation进行细分。Domain shader的输入是细分后的bary centric坐标、来自hull shader的控制点，它负责计算插值后的顶点坐标。

Tessellation早就存在于一些GPU。 D3D9的API中其实就正式存在一些使用patch的能力。比如NVIDIA的Geforce 2就支持PN-Patch，但在Forceware 29.xx之后（如果我没记错的话）就因为效率和使用率问题而禁用了。后来ATI设计的XBox360的GPU里面就有个不可编程的 tessellator，这个架构一直延续到Radeon HD 5000系列为止。和D3D11不同的是，这个tessellator位于VS之前，而不是VS之后。这么做的好处是流水线变简单了，由VS完成DS的功能即可。但缺点也很明显——性能会受到严重影响：

tessellation等级必须在另一个pass计算
本来应该在per vertex上做的事情（比如乘上wvp）变成要在细分插值后的顶点上作，显著地增加了计算量；要么就还要一个pass来做这件事情

所以D3D11用这种设计对性能提升很有帮助的。

NVIDIA Direct3D SDK 11里特别提供了一个名为Tessellation Pattern Viewer的工具，用来查看在不同参数下，三角形和四边形被tessellate后的拓扑。

Tessellation Pattern

BC6H/BC7

D3D11 增加了BC6H和BC7两种纹理压缩格式，分别擅长HDR压缩和高质量LDR压缩，都能达到8bpp。BC6H和BC7的原理类似，但比原先的BC1-5 复杂了非常多。所以压缩的运算量也大了巨多。比如512×512的原始图片，用D3DX里面提供的BC6H或BC7压缩，需要10分钟左右。解决方法是用 DX SDK提供的BC6HBC7EncoderDecoder11这个例子来进行GPU加速压缩，只要几秒钟即可。更新的版本可以从这里下载到。

下图是用BC6H来压缩一张HDR图片的结果。左边是原图（给定曝光度），中间是误差绝对值，右边是压缩后的图。