021. 现代显卡之二

T&L

上一节曾说过，GPU的主要作用是把3D场景变成一个2D图像。在没有GPU的时候，这部分工作要么由照像机来做，要么由人眼来做。这里涉及的主机是几何学。 主要需要解决的问题为Transform, clipping and lignting, 简称T&L或TCL。

  1. Transform

即将一个3D物体变化为2D图像，基本做法是投影，包括透视投影和垂直投影。 其实这里面还会涉及把物体的"物体坐标"转换成世界坐标，再转换成"相机坐标"等。这涉及一系列矩阵变换。

  1. clipping

3D物体投影到2D平面上后，或是投影过程中，发现有一些部分是不应该被看见的，这时需要根据遮挡信息等把他们裁掉。

  1. lighting

光把3D物理投影到2D平面并不能给人们带来足够的真时感，甚至会投影成混乱一团像素，让人看不懂倒底是什么东西。因为投影的过程中缺少光照信息。同样的几何体，由于光照角度不同，材质不同，可能会显示出非常不一样的颜色，人眼需要这种颜色或灰度变化来区分物体间的位置关系。

在显卡被发明之前，一些做游戏的公司就已经发现了这套理论，1993年arcade公司就实现了能做T&L的硬件，1997年任天堂的游戏机上也有了专门的T&L硬件。PC上由于人们认为PC的CPU性能足够强大，所以很长一段时间内，大家都用软件去实现T&L。直到1999年，nvidia的GeForce 256才引入硬件T&L支持。

本小节我们就来看看这段历史。

RCP

RCP，即Reality Coprocessor， 是由Silicon Graphics公司为任天堂研发的。它包含两部分，RSP和RDP，即Reality Signal Processor和Reality Display Processor。

RSP

RSP的主要做是几何运算，对应的是T&L中的T和L。 RDP的主要作用是栅格化和纹理贴图。

RSP是一颗MIPS CPU，它的固件实现了一个程序，这个程序可以读取一个指令序列，解析指令序列中的指令并执行相应的指令。这些指令称为微码，micro code。程序员将一系列微码组成一个列表，称为display list或是command list。RSP则按照display list去执行。

RSP的微码看起来像是C函数调用，但实际上它们可能是一些打包二进制比特流的宏。熟悉opengl的同学可能会觉得它们和opengl的API有点像。

其操作思路与opengl也是很相似的，先要指定一些顶点，一些变换矩阵，一些纹理，对应的api如下：


gsSPMatrix(Mtx *m, unsigned int p) 
gsSPVertex(Vtx *v, unsigned int n, unsigned int v0) 
gsSPTexture(int s, int t, int levels, int tile, int on) 
gsSPClipRatio(FRUSTRATIO_3),
Lights3 light_structure1 = gdSPDefLights3(
        ambient_red, ambient_green, ambient_blue,
        light1red, light1green, light1blue,   
                   light1x, light1y, light1z,
        light2red, light2green, light2blue,   
                   light2x, light2y, light2z,
        light3red, light3green, light3blue,   
                   light3x, light3y, light3z);
gsSPSetGeometryMode(G_LIGHTING),
gsSPSetLights3(material1_light),
gsSPVertex( /* define vertices for object 1 */ );
/* render object 1 here */
gsSPLight(&material2_light.l[0], LIGHT_1),
gsSPLight(&material2_light.a, LIGHT_2),
gsSPVertex( /* define vertices for object 2 */ );
/* render object 2 here */
guLookAtHilite(&throw_away_matrix, &lookat, &hilite,
                Eyex,      Eyey,    Eyez,
                Objectx,   Objecty, Objectz,
                Upx,       Upy,     Upz,
                light1x,   light1y, light1z,
                light2x,   light2y, light2z,
                tex_width, tex_height);
gsDPLoadTextureBlock_4b(hilight_texture, G_IM_FMT_I,
                        tex_width, tex_height, 0,
                        G_TX_WRAP | G_TX_NOMIRROR,
                        G_TX_WRAP | G_TX_NOMIRROR,
                        tex_width_power2,
                        tex_height_power2,
                        G_TX_NOLOD, G_TX_NOLOD),

具体的含义见： http://level42.ca/projects/ultra64/Documentation/man/pro-man/pro11/index11.6.html

RCP的输入是一些顶点、纹理坐标、光照条件等，输出是多边形。 这些多边形进入RDP进行进一步处理。

RDP

Reality Display Processor。 它的作用是把多边形进行栅格化，输入为high-quality, Silicon Graphics style pixels that are textured, antialiased, and z-buffered.

听起来的大致意思是这是一些像素，每个像素都已经映射了纹理，做了抗锯齿，并且包含z缓冲即深度信息。与opengl里面的fragment,片元几乎是一回事儿。

RDP会按照固定的步骤处理这些片元。在某种模式下的步骤如下：

在这种模式下，它一个周期只能处理1个像素，在另一些模式下，它可以实现一个周期处理两个像素。

RCP已经很像是一款固定流水线的GPU了，美中不足的是它的RSP部分是用MIPS处理器来做的，速度就慢了不少。

Block Functionality
RS Generates pixel and its attribute covered by the interior of the primitive.
TX Generates 4 texels nearest to this pixel in a texture map.
TF Bilinear filters 4 texels into 1 texel,or performs step 1 of YUV-to-RGB conversion.
CC Combines various colors into a single color,or performs step 2 of YUV-to-RGB conversion.
BL Blends the pixel with framebuffer memory pixel, or fogs the pixel for writing to framebuffer.
MI Fetches and writes pixels from and to the framebuffer memory.

GeForce 256

这个GPU支持Direct3D 7。称为世界上的第一个GPU。

Nvidia如些骄傲于这个芯片，已至于官网上还有它的链接： https://www.nvidia.com/page/geforce256.html

这时GPU的定义为：a single-chip processor with integrated transform, lighting, triangle setup/clipping, and rendering engines that is capable of processing a minimum of 10 million polygons per second.

一秒钟可以得处理1000万个多边形。

256的意思是"256位，4流水线渲染引擎"。相当于4核的GPU，一个周期可以处理4个像素。

与RCP不同的是，所有的处理都是硬逻辑完成的，而不是RCP那像由运行于CPU上的固件完成。

Nvidia不愧为世界上第一个GPU，它有现代GPU的所有特点：

  1. 硬件T&L
  2. 多核
  3. 支持一款3D API。

可以说硬件支持T&L是GPU和非GPU的分界点，Direct3D 7，是固定流水线GPU和非固定流水线分界点。当Direct3D 8出来的时候，vertex shader, fragment shader就已经有了，这时就是非固定流水线的GPU了。

太晚了，今天就写到这里。

发现一个好文章还没读完，供大家参考： https://www.techspot.com/article/653-history-of-the-gpu-part-2/