Прошло два года с тех пор, как конкуренты представили свои последние предложения. Если вы читали предыдущую статью и только начали читать эту, я полагаю, вы все еще ждете 'того самого', что делает PS2 такой мощной, как это казалось тогда. А теперь позвольте мне представить очень важный набор компонентов, установленных Sony в Emotion Engine, векторные вычислительные блоки или 'VPU'.
Архитектура
Векторный вычислительный блок — это маленький независимый процессор, предназначенный для работы с векторами, в частности, с векторами, состоящими из четырех плавающих точек. Эти процессоры настолько быстрые, что тратят всего один такт на операцию, что может быть чрезвычайно удобно для обработки геометрии. Хотя они демонстрируют схожее нестандартное поведение с FPU ЦП.
ВПУ состоят из следующих компонентов:
- Некая Vector Unit Memory или 'VU Mem': Используется как рабочее пространство для векторного блока. Она хранит значения, которые нужно обработать и/или результаты предыдущих операций.
- Некоторый Vector Unit: Ядро процессора. Она содержит некоторую память (называемую микропамятью) для хранения программы (называемой микропрограммой), которая инструктирует блок о том, как обрабатывать данные, найденные в 'VU Mem'.
- Она реализует 64-битную ISA, а блок выполнения разделен на два параллельных подблока. Первый умножает или складывает числа с плавающей запятой, в то время как второй делит числа с плавающей запятой или обрабатывает целые числа. Это позволяет одновременно работать с числами с плавающей запятой и целыми числами одновременно.
- Некоторый Vector Interface: Автоматически декомпрессирует вершинные данные, поступающие из основной памяти в формате, который векторный блок может понять. Этот блок также может передавать микропрограммы в микропамять.
Функционал
Чтобы начать работать, векторному блоку нужно 'запуститься'. Для этого главный ЦП отвечает за предоставление микрокода.
В Emotion Engine установлены два ВПУ, но они расположены по-разному, что позволяет использовать их для разных задач и оптимизаций.
Векторный вычислительный блок 0
Архитектура VPU0.
Первый ВПУ, VPU0, расположен между ЦП и другим векторным блоком (VPU1). Он выполняет вспомогательную роль для основного ЦП.
У VPU0 два режима работы:
- Микрорежим: Это традиционный режим. VPU будет независимо выполнять микроинструкции из микропрограммы, хранящейся в микропамяти.
- Макрорежим: VPU0 становится 'COP2' главного ЦП и выполняет макроинструкции, полученные от главного ЦП через выделенную 128-битную шину.
- Макроинструкции имеют ту же функциональность, что и микроинструкции, но используют разные опкоды. Тем не менее, блок выполнения VPU больше не разделен (значит, он может выполнять только одну инструкцию за раз).
- Хотя этот режим не полностью использует все компоненты VPU0, он все же ускоряет векторные операции ЦП. Более того, в плане простоты, сопроцессор проще программировать, чем независимый блок (что будет полезно программистам ПК).
Карта памяти VPU0 также имеет доступ к некоторым регистрами и флагам другого ВПУ, предположительно для проверки его состояния или быстрого чтения результатов некоторых операций, выполненных другим ВПУ.
Векторный вычислительный блок 1
Архитектура VPU1.
Второй найденный VPU, VPU1, является улучшенной версией VPU0 с увеличенным количеством микро и VU памяти в четыре раза. Более того, этот блок включает в себя дополнительный компонент, называемый элементарным функциональным блоком или 'EFU', который ускоряет выполнение экспоненциальных и тригонометрических функций.
VPU1 расположена между VPU0 и Графическим интерфейсом (ворота к GPU), поэтому она включает в себя дополнительные шины, чтобы как можно быстрее передавать геометрию к GPU, не используя главную шину.
С другой стороны, из-за её расположения, VPU1 работает только в микрорежиме.
Очевидно, что эта VPU была разработана для тригонометрических операций и может служить предобработчиком для GPU. Поэтому её часто ставят ответственным за передачу знаменитых Списков отображения.
Бесконечные миры
Полезный подход, который можно использовать с этими блоками, - это процедурная генерация. Другими словами, вместо построения сцены с использованием жёстко закодированной геометрии, позвольте VPUs генерировать её с помощью алгоритмов. В этом случае, VPU вычисляет математические функции для создания геометрии, которая затем интерпретируется GPU (то есть треугольники, линии, квадраты и т. д.) и в конечном итоге используется для отрисовки сцены.
По сравнению с использованием явных данных, процедурный контент идеально подходит для параллельных задач, освобождает пропускную способность, требует очень мало хранения и является динамическим (программисты могут устанавливать параметры для достижения различных результатов) . Многие области могут существенно выиграть от этой техники:
- Сложные поверхности (например, сферы и колеса).
- Рендеринг мира (например, ландшафты, частицы, деревья).
- Кривые Безье, очень популярное уравнение в компьютерной графике, используемое для рисования кривых. Эти кривые превращаются в патч Безье (явная геометрия) и поддерживают различные степени точности в зависимости от уровня детализации.
С другой стороны, процедурный контент может испытывать трудности с анимацией, и если алгоритм слишком сложен, VPU может не создать геометрию вовремя.
Резюмируя, процедурный рендеринг - это не новая техника, но благодаря VPUs открываются двери для дальнейших оптимизаций и более насыщенной графики. Тем не менее, это не простая техника для реализации, и отдел исследований и разработок Sony опубликовал множество статей, описывающих различные подходы к использованию на их консоли .
Вы определяете рабочий процесс
С этими новыми дополнениями у программистов теперь есть большая гибкость в разработке своих графических движков. Для помощи в этом компания Sony потратила дополнительные ресурсы на разработку и документирование эффективных конструкций конвейеров. Ниже приведены примеры графических конвейеров, оптимизированных для различных типов рабочих нагрузок :
Параллельная конструкция конвейера.
Последовательная конструкция конвейера.
В первом примере, Параллельной конструкции, CPU совмещается с VPU0 в макрорежиме для создания геометрии параллельно с VPU1. Группа CPU/VPU0 полностью использует свободное ОЗУ и кэш, чтобы избежать использования главной шины, которую VPU1 использует для получения данных из основной памяти. В конце обе группы рендеринга отправляют свои соответствующие Списки отображения на GPU одновременно.
Во втором примере, Последовательной конструкции, предлагается иной подход, при котором группа CPU/VPU0 работает как предобработчик для VPU1. На первом этапе будет извлечена и обработана вся геометрия, которую VPU1 будет затем преобразовывать в Список отображения.
До сих пор это были примеры с теоретической точки зрения, но чтобы объяснить более 'практическую' реализацию, я обращусь к видео Джона Бертона, опубликованному по поводу разработки одной из их игр для PS2 .
Crash Bandicoot: The Wrath of Cortex (2001). Частицы создают пламя свечи и свет, исходящий от оконного стекла.
Бывший директор Travellers Tales объяснил, как его команда разработала полностью инкапсулированную систему частиц в VPU1. В общих чертах, VPU1 сосредоточилась на чтении предварительно заполненной базы данных из своей VU-памяти, которая использовалась для вычисления координат частиц в любой момент времени без зависимости от других компонентов. Результат операции можно было преобразовать в Списки отображения и сразу же отправить.
С этим подходом CPU была значительно разгружена, что позволило ей выполнять другие задачи, такие как ИИ и физика.
Существует много других примеров, но чтобы подвести итог: Теперь всё зависит от программиста, чтобы найти оптимальную настройку, и это хорошая вещь.