风起提示：由于技术的发展风起云涌，需留意文章时效，2024-09-07。
回顾
前面我们已经介绍了CPU与GPU通信的基础设施：CPU侧内存、GPU侧显存、专用总线（NVLink/PCIe）、传输方式（显示复制/透明迁移）。有兴趣的同学可以更深入的了解下GPU架构，这里我们只要知道GPU擅长并行处理就行了。
有了这些基础设施后，我们就可以组织命令和数据，然后提交到GPU侧去运行了。如何组织命令和数据就需要我们清楚GPU的内部状态、渲染过程、以及对渲染过程的控制。
引入概念
内部状态（Internal State）
GPU的内部状态是指GPU在处理任务过程中需要维护的各种状态信息。
内部状态的具体实现
-
指针：
- 指向缓冲区的指针确实是内部状态的一部分。例如，顶点缓冲区指针指向顶点数据，索引缓冲区指针指向索引数据。
- 这些指针告诉GPU从哪里读取数据。
-
配置信息：
- 除了指针之外，内部状态还包括各种配置信息，如渲染状态中的混合模式、深度测试模式等。
- 这些配置信息告诉GPU如何处理数据。
-
寄存器状态：
- GPU内部有许多寄存器，用于存储临时数据和状态信息。
- 例如，着色器程序中的寄存器用于存储中间计算结果。
-
纹理和采样器状态：
- 纹理和采样器的状态信息也包含在内部状态中。
- 例如，纹理的滤波模式、采样器的地址模式等。
内部状态的管理和切换
-
状态配置：
- 在每个绘制调用之前，需要配置相应的内部状态。例如，设置顶点缓冲区、索引缓冲区、着色器程序等。
- 这些配置操作通常通过图形API（如OpenGL、Vulkan、DirectX）提供的函数来完成。
-
状态切换：
- 在不同的绘制调用之间，可能需要切换不同的内部状态。例如，从一个物体的绘制切换到另一个物体的绘制时，可能需要更改顶点缓冲区、着色器程序等。
- 频繁的状态切换会影响性能，因此需要优化状态切换。
-
状态保存与恢复：
- 在复杂的渲染场景中，可能需要保存和恢复内部状态，以便在不同的绘制调用之间快速切换。
- 这种机制可以帮助减少状态切换的开销。
渲染过程（Rendering Process）
渲染过程是一个宏观的流程，描述了从数据准备到最终输出的整个步骤。
主要步骤
-
数据准备：
- 准备好顶点数据、索引数据、纹理数据等。
- 分配和配置各种缓冲区（如顶点缓冲区、索引缓冲区、纹理缓冲区等）。
-
状态配置：
- 设置渲染状态，如颜色混合模式、深度测试模式、模板测试模式等。
- 绑定着色器程序、纹理、采样器等。
-
绘制调用：
- 发起绘制调用，告诉GPU渲染特定的图元（如三角形）。
- 每个绘制调用都会触发渲染管线的执行。
-
后期处理：
- 在绘制调用完成后，执行后期处理，如混合、抗锯齿等。
-
输出：
- 最终将渲染结果输出到屏幕或其他目标缓冲区。
渲染管线（Rendering Pipeline）
渲染管线在渲染过程中主要参与绘制阶段，主要负责处理每个绘制调用中的图元数据。
主要阶段
-
输入装配（Input Assembly）：
- 读取顶点数据，并将顶点组装成基本图元（如点、线或三角形）。
-
顶点着色（Vertex Shader）：
- 对每个顶点执行计算，如坐标变换、光照计算等。
-
几何着色（Geometry Shader）（可选）：
- 生成新的几何图元，扩展或修改现有的几何结构。
-
裁剪（Clipping）：
- 裁剪掉超出视口范围的图元。
-
光栅化（Rasterization）：
- 将图元转换为屏幕上的像素（片段）。
-
片段着色（Fragment Shader）：
- 对每个像素进行计算，确定其最终颜色、纹理等属性。
-
早期深度测试（Early Depth Test）：
- 在片段着色之前进行深度测试，丢弃不可见的像素。
-
后期处理（Late Post-Processing）：
- 执行混合、抗锯齿等后期处理。
-
输出合并（Output Merger）：
- 将最终的像素颜色写入帧缓冲区（Framebuffer）。
内部状态、渲染过程、渲染管线的关系
- 渲染过程中，需要配置各种状态信息，如着色器、纹理、渲染状态等，这些状态统称为GPU内部状态。
- 渲染过程中，每次的绘制调用都会触发渲染管线的执行，GPU的内部状态会影响渲染管线中各个阶段的行为。
- 渲染过程是一个宏观流程，描述了从数据准备到最终输出的整个步骤，渲染管线主要负责绘制阶段对图元数据的处理。
更多精彩内容可关注风起的博客，微信公众号：听风说图
