Vulkan 基本原理

Vulkan 基本原理，下面介紹Vulkan的基礎知識，涉及以下内容：

• Vulkan的執行模型
• Vulkan的隊列
• 對象模型
• 對象生命周期與指令文法
• 錯誤檢查與驗證

轉自https://www.coolcou.com/vulkan/vulkan-tutorials/basic-principle-of-vulkan.html

Vulkan的執行模型

支援Vulkan的系統可以直接查詢系統資訊，并傳回可用的實體裝置的數量。每個實體裝置可以支援一個或多個隊列。這些隊列被劃分到不同的族群中，每個族群有自己獨特的功能設定。例如，一個族群可能會支援諸如圖形、計算、資料傳輸，或者記憶體管理相關的功能。隊列族群中的每個成員可能包含了一個或者多個相似的隊列，是以它們互相之間是相容的。例如，某個具體的驅動實作中，可能在同一個隊列裡同時支援資料傳輸和圖形操作。

Vulkan允許使用者顯式地在應用程式中管理和控制記憶體。它暴露了裝置中支援的所有不同類型的記憶體堆（heap），每個堆屬于一個不同的記憶體區域。Vulkan的執行模型是非常簡單和直接的。在這裡，指令緩存會被發送到隊列中，後者将被實體裝置按順序依次執行和消耗。

Vulkan的應用程式負責控制一組Vulkan裝置，将一系列指令記錄到指令緩存中，并發送到隊列。驅動會讀取隊列并按照記錄的順序依次執行各個工作。指令隊列的建構是需要較大代價的，而建構一旦完成，它就可以被緩存和發送到隊列中，根據自己的需要多次執行。此外，有些指令緩存在應用程式中也可以以多線程的方式并行同步地建構。

如圖所示給出了一個簡化後的執行模型：

在這裡，應用程式記錄了兩個指令緩存，其中各包含了多個指令。這些指令随即按照作業性質的不同，被傳遞給一個或者多個隊列。隊列将這些緩存作業送出給裝置加以執行。最後，裝置處理得到結果，并将它們顯示到輸出裝置上，或者傳回給使用者程式做進一步的處理。

Vulkan中，使用者應用程式主要負責以下工作：

• 生産指令執行所必需的所有先決内容：
• 其中可能包括資源的準備、着色器的預編譯、将資源關聯到着色器、設定着色器的狀态、建構流水線，以及繪制調用。
• 記憶體管理。
• 同步。
• 宿主和裝置之間。
• 裝置上不同的隊列之間。
• 風險管理。

Vulkan的隊列

隊列是Vulkan的一種中間層機制，負責接收指令緩存并傳遞給裝置。指令緩存記錄了一個或者多個指令，并發送給相關的隊列。裝置則提供了多個可選的隊列，然後應用程式負責将指令緩存傳遞給正确的隊列。

指令緩存的發送可以按照以下兩種方式來完成：

• 單一隊列：
• 按照指令緩存發送的順序進行維護，以及執行或者回放。
• 指令緩存按照串行的方式執行。
• 多重隊列：
• 允許指令緩存以并行的方式在兩個或者更多隊列中執行。
• 除非特别指定，否則無法保證指令緩存發送和執行的順序不變。應用程式需要負責進行此類同步操作，否則實際的執行順序可能會完全與發送時的順序無關。

Vulkan提供了多種同步圖元，讓使用者可以相應地在單一隊列中，或者跨隊列地完成工作執行順序的管理。如下所示：

• 信号量（semaphore）：這種同步機制可以跨隊列或在單一隊列中的粗粒度指令緩存中執行。
• 事件（event）：事件控制細粒度同步，并應用于單個隊列，進而確定單一指令緩存中或者多個指令緩存之間的同步要求。宿主系統也可以參與到事件觸發的同步機制當中。
• 栅欄（fence）：允許在宿主和裝置之間完成同步。
• 流水線屏障（pipeline barrier）：流水線屏障是插入到指令緩存中的一種指令，它可以確定在它之前的指令始終優先執行，而在它之後的指令一定随後執行。

對象模型

在應用程式端，包括裝置、隊列、指令緩存、幀緩存、流水線等在内的所有對象，統稱為Vulkan對象。而在内部的API層面，這些Vulkan對象會被識别為不同的句柄。這些句柄可以分為兩種類型：可分發的以及不可分發的。

• 可分發的句柄：這類指針指向了一個不透明的内部圖形實體。不透明的資料類型不允許直接通路它的内部結構體成員。你隻能通過API函數來通路結構體的内部域。所有的可分發句柄都會關聯一個可分發的類型，這樣它就可以作為一個參數被傳遞給其他的API指令。一些典型的示例如下所示。

• 不可分發的句柄：這些64位整型類型的句柄通常不會指向一個結構體，而是直接包含了對象自身的資訊。一些典型的示例如表所示。

對象生命周期與指令文法

Vulkan當中的對象是根據應用程式的邏輯需求顯式地建立和銷毀的，應用程式需要自己管理這些對象。

Vulkan的對象需要使用Create指令建立，以及使用Destroy指令銷毀：

• Create文法：對象的建立需要通過

  vkCreate*

  指令完成，它需要一個

  Vk*Createinfo

  結構體作為輸入參數。
• Destroy文法：使用Create指令建立的對象總是需要使用

  vkDestroy*

  指令銷毀。

  如果對象是作為已有的對象池或者堆的一部分建立的，那麼需要使用Allocate指令建立，并使用Free指令從池或者堆中銷毀。

• Allocate文法：一個對象如果是作為對象池的一部分建立，那麼需要使用

  vkAllocate*

  指令，并且需要一個

  Vk*AllocateInfo

  作為輸入參數。
• Free文法：已建立的對象需要使用

  vkFree*

  指令從對象池或者記憶體中釋放。

上述所有的實作方法都可以通過

vkGet*

指令輕松擷取。而使用了

vkCmd*

形式的API接口主要用于把指令記錄到指令緩存當中。

錯誤檢查與驗證

Vulkan的設計在性能最大化的前提下提供了可選的錯誤檢查和驗證功能。在程式運作時，錯誤檢查和驗證的需求非常少，是以建構指令緩存和發送到裝置的效率很高。這類可選的功能可以在Vulkan的階層化結構中使用，進而在運作系統中實作多個層之間的動态注入（調試和驗證）。

• 第一個Vulkan程式
• Vulkan 使用LunarG SDK
• Vulkan 使用CMake建構工程
• Vulkan 擴充簡介
• 建立Vulkan執行個體