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原文作者：rosenzweig.io/
发布时间：2021年1月7日
苹果最新的Mac系列包含了他们自家的 "M1 "系统芯片，采用了定制的GPU。这给我们这些希望在设备上运行Linux的Asahi Linux项目的人带来了一个问题，因为这个定制的苹果GPU既没有公开的文档，也没有开源的驱动。有些人猜测它可能是PowerVR GPU的后裔，就像老款iPhone中使用的那样，而另一些人则认为这个GPU是完全定制的。但是，当我们可以亲自窥探引擎盖下的情况时，传言和猜测就没意思了!
几周前，我购买了一台搭载M1 GPU的Mac Mini作为开发目标，研究指令集和指令流，在之前没有公开了解的层面上了解GPU的架构，并最终加速开发该硬件的Mesa驱动。今天，我已经达到了第一个里程碑。我现在已经理解了足够的指令集 来分解简单的着色器 用GitHub上发布的免费开源工具链来分解
解码GPU的指令集和命令流的过程与我在Panfrost项目中对Mali GPU进行逆向工程的过程平行，该项目最初由Lima、Freedreno和Nouveau自由软件驱动项目开创。通常情况下，对于Linux或Android驱动逆向工程，会编写一个小的封装库，通过LD_PRELOAD注入到测试应用程序中，该库会钩住关键的系统调用，如ioctl和mmap，以便分析用户与内核的交互。一旦发出 "提交命令缓冲区 "的调用，该库就可以转储所有（映射的）共享内存进行离线分析。
同样的整体过程将适用于M1，但有一些macOS主义需要翻译。首先，macOS上没有LD_PRELOAD，对应的是DYLD_INSERT_LIBRARIES，它有一些额外的安全功能，对于我们的目的来说，很容易关闭。其次，虽然macOS上确实存在标准的Linux/BSD系统调用，但它们并不是用于图形驱动程序的。相反，苹果自己的IOKit框架被用于内核和用户空间的驱动程序，关键的切入点是IOConnectCallMethod，是ioctl的模拟。这些差异很容易纸上谈兵，但确实与标准的Linux工具增加了一层距离。
更大的问题是在IOKit世界中定位。由于Linux采用的是copyleft授权，（合法的）内核驱动是开源的，所以ioctl接口是公开的，尽管是厂商特定的。MacOS的内核（XNU）采用的是允许性授权，并没有带来这样的义务；内核接口是专有的，没有文档的。即使在封装了IOConnectCallMethod之后，也需要花费一些精力来确定三个关键的调用：内存分配、命令缓冲区创建和命令缓冲区提交。封装分配和创建调用对于跟踪GPU可见内存（我们有兴趣研究的内容）是必不可少的，而封装提交调用对于内存转储的计时是必不可少的。
扫清了这些障碍，我们终于可以进入shader二进制，本身就是黑盒子。然而，从这里开始的过程是标准的：从尽可能简单的片段或计算着色器开始，对输入的源代码做一个小小的改动，然后比较输出的二进制文件。这个过程的迭代是很乏味的，但会很快揭示出关键结构，包括操作码号。
自由软件拆解器中记录的过程的发现证实了GPU的一些特征。
其一，架构是标量的。与一些GPU对32位是标量的，但对16位是矢量的不同，M1的GPU在所有位数上都是标量的。然而Metal优化资源意味着16位算力应该会有明显的速度，此外还减少了寄存器的使用量，导致线程数（占用率）提高。这表明硬件是超标量的，16位ALU比32位ALU更多，使得该部分比竞争芯片更能从低精度图形着色器中获益，同时消除了编译器的大量复杂性。
二是该架构似乎可以在硬件中处理调度，这在桌面GPU中很常见，但在嵌入式领域就不那么常见了。这又以牺牲更多硬件为代价使编译器变得更简单。指令似乎有最小的编码开销，不像其他架构需要用nop来垫出指令，以适应高约束的指令集。
三、支持各种修改器。浮点ALU可以 "免费 "做clamps（饱和）、负值和绝对值修饰，这是一个常见的shader架构特点。此外，大多数（所有？）指令可以在目标和源上 "免费 "进行16位和32位之间的类型转换，这使得编译器可以更积极地使用16位操作，而不会有转换开销的风险。在整数方面，允许在某些指令上免费进行各种位补和移位。这些都不是苹果设计的独特之处，但同样值得注意。
最后，并不是所有ALU指令的时序都一样。像imad这样用来乘以两个整数并加上第三个整数的指令，要尽可能避免使用重复的iadd整数加法指令。这也表明了一种超标量架构；像我日常工作中的软件调度设计无法利用流水线长度的差异，无意中降低了简单指令的速度，以匹配复杂指令的速度。
根据我之前在GPU上的工作经验，我期望能在指令集中发现一些可怕的东西在等待，以膨胀编译器的复杂性。虽然上述工作目前只覆盖了指令集的一小块表面区域，但到目前为止，一切似乎都很健全。没有任何令人费解的优化技巧，但做掉了这些技巧，创造了一个精简、高效的设计，只做一件事，而且做得很好。也许苹果的硬件工程师们发现，简单是很难被打败的。
唉，如果没有一个开源的用户空间驱动，着色器工具链也没什么用。下一篇：剖析命令流!
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