移動端TB(D)R架構基礎

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一、當前移動端的設備概況

1. 移動端CPU占比

2. 移動端GPU占比

3. 各類電子設備功耗對比

4. 帶寬比較

二、專有名詞解釋

1. SOC(System on Chip)

System on Chip（Soc）Soc是把CPU、GPU、內存、通信基帶、GPS模塊等等整合在一起的芯片稱呼。
常見有A系Soc（蘋果），驍龍Soc（高通），麒麟Soc（華為），聯發科Soc，獵戶座Soc（三星），去年蘋果推出的M系Soc，暫用于Mac，但這說明手機、筆記本和PC的通用芯片已經出現了

2. 物理內存(System Memory)

Soc中GPU和CPU共用一塊片內LPDDR物理內存，就是我們常說的手機內存，也叫System Memory，大概幾個G。

此外CPU和GPU還分別有自己的高速SRAM的Cache緩存，也叫On-chip Memory，一般幾百K~幾M。

不同距離的內存訪問存在不同的時間消耗，距離越近消耗越低，讀取System Memory的時間消耗大概是On-chip Memory的幾倍到幾十倍。

PS：手機上GPU和CPU是共享一個內存地址空間（PC上一般分為內存和顯存）

3 .On-Chip Buffer

在TB(D)R架構下會存儲Tile的顏色、深度和模板緩沖，讀寫修改都非常快。

如果Load/Store指令中緩沖需要被Preserve，將會被寫入一份到System Memory中。

4 .Stall

當一個GPU核心的兩次計算結果之間有依賴關系而必須串行時，等待的過程便是Stall。

5.FillRate 像素填充率

像素填充率 = ROP運行的時鐘頻率 x ROP的個數 x 每個時鐘ROP可以處理的像素個數

三、關于TBDR

什么是TBDR？

TBR（Tile-Based (Deferred) Rendering）是目前主流的移動GPU渲染架構，對應一般PC上的GPU渲染架構則是IMR（Immediate Mode Rendering ）。

通俗的講就是：屏幕被分成很多塊進行渲染

TBR和TBDR的區別

• TBR ：頂點著色器——》Defer———》光柵化——》像素著色器
• TBDR ：頂點著色器——》Defer———》光柵化——》Defer——》像素著色器
  
  什么是Defer？
  從字面上理解就是延遲（處理）；從渲染數據的角度上看，Defer是批處理一幀中的多個數據（后面詳細有講）

四、關于IMR

沒有Defer的操作：用戶數據——》頂點著色器———》光柵化——》片段著色器

渲染管線如下：直接和系統內存進行交互

五、TB(D)R詳細的渲染流程

1. TB(D)R宏觀上總共分2個階段

簡單的說：

• 第一步：將分圖元到對于的塊上，確定Tile上的圖元有哪些
• 第二步：在片元著色器計算后先將結果寫到塊內存（Tile Buffer）中，最后在寫到系統內存（System Memory）上
  
  TBDR詳細示意圖：
  
• TBDR中有一個Tiling的過程：將幾何著色器計算出的頂點數據刷到系統內存(System Memory)上
• 最終經過片元著色器計算的結果，將會被刷到片內存（Tile Buffer）上面，在最后的操作才是把片內存寫入Frame Buffer中

2. TBR與IMR的一些對比

a圖為TBR，B圖為IMR

3 .TBR的優缺點

TBR的核心目的是降低帶寬，減少功耗，但渲染幀率上并不比IMR快

優點：

• TBR給消除Overdraw提供了機會，PowerVR用了HSR技術，Mali用了Forward Pixel Killing技術，目標一樣，就是要最大限度減少被遮擋pixel的texturing和shading。
• TBR主要是緩存友好， 在緩存里頭的速度要比全局內存的速度快的多，以及有可能降低幀率為代價，來降低帶寬，省電

缺點：

• 分配圖元過程（bining 過程）：這個過程在vertex階段之后，將輸出的幾何數據寫入到系統內存，然后才被fragment shader讀取。幾何數據過多的管線，容易在此處有性能瓶頸
• 如果某些三角形疊加在數個tile（塊）上，則需要繪制數次。意味著總渲染時間將高于即時渲染模式
  

4 .TBDR中的D——Defer是什么

Bining過程（類似四叉樹）/第一個Defer

將需要處理的圖元分配到對應的塊中，來進行處理

不同GPU的Eearly-DT/第二個Defer

Android的處理

FPK技術：

IOS的HSR技術：

六、TB(D)R的優化建議

1. 記得不使用Framebuffer的時候clear或者discard

主要是清空積存在tile buff上的中間數據，所以在unity里面對render texture的使用也特別說明了一下，當不再使用這個rt之前，調用一次Discard。在OpenGL ES上善用glClear，gllnvalidateFrameBuffer避免不必要的Resolve（就是tile buff刷新到system memeory）行為

2. 要在一幀里面頻繁的切換framebuffer的綁定

本質上就是減少tile buffer 和system memory之間的 的stall（同步） 操作

3. 對于移動平臺，建議你使用 Alpha 混合，而非 Alpha 測試

在實際使用中，你應該分析并比較 Alpha 測試和 Alpha 混合的表現，因為這取決于具體內容，因此需要測量，通常在移動平臺上應避免使用 Alpha 混合來實現透明。需要進行 Alpha 混合時，嘗試縮小混合區域的覆蓋范圍

4. 其余優化

• 手機上必須要做Alpha Test，先做一遍Depth prepass
• 圖片盡量壓縮 例如:ASTC ETC2
• 圖片盡量走 mipmap
• 盡量使用從Vertex Shader傳來的Varying變量UV值采樣貼圖（連續的），不要在FragmentShader里動態計算貼圖的UV值（非連續的）
• 在延遲渲染盡量利用Tile Buffer 存儲數據
• 如果你在Unity 里面調整 ProjectSetting/Quality/Rendering/Texture Quality 不同的設置，或者不同的分辨率下，幀率有很多的變化，那么十有八九是帶寬出問題啦
• MSAA其實在TBDR上反而是非常快速的。
• 少在片元著色器中使用 discard 函數，調用gl_FragDepth從而打斷Early-DT( HLSL中為Clip，GLSL中為discard )
• 盡可能的在Shader里使用浮點數，有目的的區分Half Float，好處：（1）帶寬用量減少（2）GPU中使用的周期數減少，因為著色器編譯器可以優化你的代碼以提高并行化程度。（3）要求的統一變量寄存器數量減少，這反過來又降低了寄存器數量溢出風險。
• 在移動端的TBDR架構中，頂點處理部分，容易成為瓶頸，避免使用曲面細分shader，置換貼圖等負操作，提倡使用模型LOD,本質上減少FrameData的壓力，Unity中盡早在應用階段借助umbra（unity自帶的剔除功能）遮擋剔除

總結

以上是生活随笔為你收集整理的图形学进阶——移动端TB(D)R架构基础的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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