基于國產(chǎn)GPU的GLSL編譯器設(shè)計(jì)?

彭獲然 熊庭剛 胡艷明 黃 亮

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

在圖形處理器不斷發(fā)展的過程中，圖形應(yīng)用對可編程能力的需求日益增長，高級著色語言應(yīng)運(yùn)而生。開發(fā)者通過使用高級著色語言編寫著色器來自定義發(fā)生在圖形處理流程中關(guān)鍵處的處理過程，利用底層的圖形硬件實(shí)現(xiàn)更多樣復(fù)雜的渲染效果［1］。圖形驅(qū)動(dòng)中的著色語言編譯器便承擔(dān)起編譯著色器的任務(wù)，并在圖形渲染管線中扮演重要角色，其生成的機(jī)器代碼的質(zhì)量會(huì)直接影響圖形渲染的效果和效率。

2 GLSL和OpenGL中的著色器

GLSL 是OpenGL 規(guī)范中用來編寫著色器的高級著色語言，其語法源于C 語言，二者的源碼非常相似，這使得著色器的編寫和閱讀對于有C 語言基礎(chǔ)的開發(fā)者來說更加容易。在OpenGL 2.0中，開發(fā)者可使用GLSL version1.10 編寫頂點(diǎn)著色器和片段著色器程序。圖1 展示了應(yīng)用程序中OpenGL 著色器的執(zhí)行模型，應(yīng)用程序通過OpenGL API 中的函數(shù)調(diào)用編譯器對著色器源碼字符串進(jìn)行處理，得到可執(zhí)行機(jī)器碼。

3 GLSL編譯器設(shè)計(jì)

本文的GLSL 編譯器的流程如圖2 所示。其前端包含預(yù)處理、詞法分析、語法及語義分析和中間代碼生成；其后端包含代碼優(yōu)化和鏈接，最終生成目標(biāo)機(jī)器代碼。編譯器前后端之間使用一種標(biāo)準(zhǔn)的中間表示形式進(jìn)行過渡，便于使用相對成熟的機(jī)器無關(guān)的優(yōu)化技術(shù)［2］。

圖1 OpenGL著色器執(zhí)行模型

圖2 GLSL編譯器流程

3.1 GLSL編譯器前端設(shè)計(jì)

GLSL編譯器前端負(fù)責(zé)讀入著色器源碼并生成基于中間表示形式的中間代碼。首先前端根據(jù)GLSL 的預(yù)處理指令對著色器源碼進(jìn)行預(yù)處理，包括宏定義的替換和條件編譯部分源碼的刪減等。GLSL 的預(yù)處理指令的功能和使用方法與C 語言類似，存在少量區(qū)別（如沒有#include 指令等），在GLSL的官方文檔中有詳細(xì)說明［3］。

3.1.1 詞法分析

GLSL編譯器前端的核心部分包含詞法分析和語法語義分析。詞法分析器讀入預(yù)處理后生成的字符流，剔除其中的注釋部分并組織成有意義的詞素序列；對于每個(gè)詞素，詞法分析器產(chǎn)生詞法單元作為輸出，包含行號信息、詞素類型及詞素的值，詞素類型有標(biāo)識符、操作符、關(guān)鍵字、常量以及空白符。其中標(biāo)識符、操作符和關(guān)鍵字的值為其字符串，常量的值即為其本身的值，空白符沒有值。本文使用開源的Flex工具根據(jù)GLSL的詞法規(guī)則生成詞法分析器，其工作流程如圖3所示。

使用Flex來生成詞法分析器時(shí)，需要用正則表達(dá)式（Regular Expression，RE）這一強(qiáng)大的符號表示法來描述目標(biāo)語言的字符模式［4］。描述GLSL 的標(biāo)識符的代碼如下所示，標(biāo)識符由字母、下劃線和數(shù)字組成且開頭不能是數(shù)字：

identifier｛nodigit｝（｛nodigit｝｛|digit｝）*

nodigit ［_A-Za-z］

digit ［0-9］

圖3 Flex和詞法分析器

常量（包括八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制的整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)）也用類似的方法描述其模式，空白字符和操作符采用逐個(gè)列舉的方式，關(guān)鍵字則使用關(guān)鍵字列表從標(biāo)識符中區(qū)分出來。

以圖4 中這段頂點(diǎn)著色器源碼example.vert 為例，經(jīng)詞法分析會(huì)生成如下詞法單元序列（行號信息在此省略）：（關(guān)鍵字 ，“attribute”），（關(guān)鍵字，“vec4”），（標(biāo) 識 符 ，“my_Vertex”），（操 作 符 ，“；”）……（標(biāo)識符，“gl_Position”），（操作符，“=”），（標(biāo)識符，“my_TransformMatrix”），（操作符，“*”），（標(biāo)識符，“my_Vertex”），（操作符，“；”），（操作符，“｝”）。

圖4 頂點(diǎn)著色器源碼示例example.vert

3.1.2 語法分析與語義分析

在詞法分析完成后，語法分析器獲得一個(gè)詞法單元序列，根據(jù)GLSL的語法識別其中的語法成分，并驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)可以由GLSL 的語法生成，否則進(jìn)行錯(cuò)誤處理。此外，語法分析器還需要檢查前述序列是否符合GLSL的語義，例如類型是否匹配，被使用的變量是否已定義等；若著色器語法語義正確，語法分析器將根據(jù)著色器中的語句構(gòu)造語法樹，語法樹中的每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)運(yùn)算，而該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)表示該運(yùn)算的分量［5］。本文所述編譯器的語法分析器采用開源的Bison 工具生成，其工作流程如圖5所示。

圖5 Bison和語法分析器

使用Bison 生成語法分析器時(shí)，在Bison 源程序中使用LALR（1）語法來描述目標(biāo)語言的語法規(guī)則［6］。圖6 是Bison 源程序中描述語法規(guī)則的部分片段，包括動(dòng)作函數(shù)的參數(shù)類型定義，終結(jié)符定義，變量標(biāo)識符的模式和相應(yīng)動(dòng)作。著色器的詞法單元序列會(huì)在語法分析器中匹配到具體的語法范式，并執(zhí)行該范式對應(yīng)的動(dòng)作函數(shù)，完成著色語言程序語法樹的創(chuàng)建。

圖6 Bison程序片段

以example.vert為例，經(jīng)過語法分析后得到圖7所示的語法樹，同時(shí)生成名字信息表（部分名字信息表見表1）。

表1 部分名字信息

圖7 example.vert的語法樹

由于三地址代碼拆分了多運(yùn)算符算術(shù)表達(dá)式以及控制流語句的嵌套結(jié)構(gòu)，比較適用于目標(biāo)代碼的生成和優(yōu)化，故本文所述編譯器采用三地址碼作為中間表示形式。對于GLSL，三地址代碼中的地址可以是屬性（Attribute）、一致變量（Uniform）、著色器中明確定義的變量、輸出變量（Output）、臨時(shí)變量和常數(shù)。

首先將語法分析器輸出的語法樹轉(zhuǎn)換為三地址代碼語法樹，轉(zhuǎn)換的過程中需要根據(jù)目標(biāo)GPU平臺的指令集作一些變換。以圖7 語法樹為例，由于目標(biāo)GPU 平臺的乘法指令只支持標(biāo)量或四分量向量作操作數(shù)，故將矩陣乘法拆分為多條向量乘法和加法指令，得到如圖8所示三地址代碼語法樹。

接下來通過深度優(yōu)先遍歷三地址代碼語法樹可得到如表2 所示的三地址代碼中間表示形式，中間表示可輸出到文本文件中方便調(diào)試（注：表2 中OP 代表操作符，DST 代表目的操作數(shù)，SRC 代表源操作數(shù)）。

圖8 三地址代碼語法樹

表2 三地址代碼中間表示形式

3.2 GLSL編譯器后端設(shè)計(jì)

GLSL 編譯器后端讀入中間代碼，由代碼優(yōu)化模塊負(fù)責(zé)對其優(yōu)化，通過改進(jìn)中間代碼，以達(dá)到生成更好的目標(biāo)代碼的目的。鏈接模塊則要完成鏈接樹的創(chuàng)建，并根據(jù)鏈接樹來分配物理寄存器資源并設(shè)置相應(yīng)寄存器模式，最終生成符合GPU 指令集的目標(biāo)機(jī)器代碼。

3.2.1 優(yōu)化

優(yōu)化部分分為機(jī)器無關(guān)的優(yōu)化和機(jī)器相關(guān)的優(yōu)化。本文所述編譯器采取的機(jī)器無關(guān)代碼優(yōu)化方式包含：死代碼消除，函數(shù)展開，常量傳播，冗余判斷消除，公共子表達(dá)式消除，循環(huán)展開和代碼移動(dòng)等較為成熟的中間代碼優(yōu)化技術(shù)［7～10］。

而針對所用國產(chǎn)GPU 的SIMD 指令集架構(gòu)，本文采取的機(jī)器相關(guān)代碼優(yōu)化包含乘加指令優(yōu)化和向量指令合并。具體如下。

1）乘加指令優(yōu)化：由于目標(biāo)機(jī)器的指令集包含乘加指令，且著色器一般包含大量乘法和加法運(yùn)算，乘加指令優(yōu)化將大大提高程序的性能；如果一條加法指令只依賴之前的一條乘法指令，且乘法指令的目標(biāo)使能與加法指令一致，相應(yīng)的乘法指令和加法指令可以被合并成一條乘加指令。

例如MUL R0 R1 R2

//R0 ←R1*R2

ADD R3 R4 R0

//R3 ←R4+R0

兩條指令若滿足條件可優(yōu)化為

MAD R3 R1 R2 R4

//R3 ←R4+（R1*R2）

2）合并向量指令：目標(biāo)機(jī)器的指令集基于向量指令，提高向量指令的利用效率是代碼優(yōu)化的重要目標(biāo)；對于多條具備相同指令碼的指令，如果其相應(yīng)操作數(shù)可分配到同一向量寄存器上而不影響運(yùn)算結(jié)果，便可合并為一條向量指令，向量指令合并可降低代碼長度同時(shí)減少寄存器使用量［11］。

例如：［x，y，0，0］←［a，b，0，0］+［c，d，0，0］

［0，0，z，w］←［0，0，e，f］+［0，0，g，h］

兩條語句可以合并為：

［x，y，z，w］←［a，b，e，f］+［c，d，g，h］

example.vert 的三地址代碼經(jīng)過優(yōu)化之后，用偽代碼表示如表3 所示，指令數(shù)量得到明顯的精簡。

表3 優(yōu)化之后得到的代碼

3.2.2 鏈接

目標(biāo)機(jī)器碼的鏈接由鏈接器完成，鏈接器負(fù)責(zé)鏈接樹的創(chuàng)建，并根據(jù)鏈接樹來分配國產(chǎn)GPU 中的物理寄存器資源并設(shè)置相應(yīng)寄存器模式，最終生成符合國產(chǎn)GPU 指令集的目標(biāo)機(jī)器代碼。鏈接器的工作主要有兩方面要求：生成高效率的目標(biāo)機(jī)器代碼和有效地利用目標(biāo)機(jī)器上的可用資源。

由于只涉及寄存器運(yùn)算分量的指令要比那些涉及內(nèi)存運(yùn)算分量的指令運(yùn)行快得多，而GPU 的寄存器資源又非常有限，因此如何提升寄存器資源的利用效率成為鏈接階段的一個(gè)重要工作內(nèi)容。如果一個(gè)變量的值存放在寄存器中，而之后一直不會(huì)被使用，那么這個(gè)寄存器就應(yīng)該被分配給另外一個(gè)變量［12］。表4 簡單地展示了寄存器分配的這一基本思路（其中uniform（0）為矩陣，由連續(xù)四個(gè)寄存器按順序分別存儲(chǔ)一列元素，各列使用相對尋址訪問），相對于表3 減少了三個(gè)臨時(shí)寄存器占用而不影響程序結(jié)果。

為了有效利用寄存器資源，需要綜合考慮函數(shù)調(diào)用及循環(huán)嵌套，記錄屬性、變量和輸出的使用信息以及各條指令代碼的啟示性信息，包括當(dāng)前代碼屬于哪個(gè)函數(shù)體，當(dāng)前代碼調(diào)用者，當(dāng)前代碼最深的函數(shù)嵌套層次，當(dāng)前代碼對應(yīng)的臨時(shí)寄存器的后續(xù)使用信息［13～14］。

表4 example.vert程序寄存器分配示意

鏈接器最后需要輸出目標(biāo)機(jī)器代碼。國產(chǎn)GPU 的指令集包括常用算術(shù)運(yùn)算，超越函數(shù)計(jì)算，流程控制和紋理操作等。指令集支持一個(gè)目的操作數(shù)和三個(gè)源操作數(shù)。源操作數(shù)可以任意取反或取絕對值；指令支持源操作數(shù)和目的操作數(shù)的任意分量選擇；目的操作數(shù)可設(shè)置飽和操作；指令支持相對尋址模式。為了更好地契合國產(chǎn)GPU 的指令集架構(gòu)，且保證代碼轉(zhuǎn)化的靈活性，本文采取模式匹配的方法生成機(jī)器代碼［15］，具體步驟如下：

第一步，將指令指針I(yè)P 設(shè)置到中間代碼起始位置；

第二步，模式指針PP 設(shè)置到目標(biāo)模式起始位置；

第三步，判斷模式對應(yīng)指令數(shù)是否大于剩余未轉(zhuǎn)換的中間代碼，若是，進(jìn)入第四步；否則進(jìn)入第五步；

第四步，模式指針PP 設(shè)為下一模式起始位置并重復(fù)第三步；

第五步，從模式指針PP和指令指針I(yè)P開始，逐條判斷各指令是否匹配，若模式得到完整匹配便生成該模式對應(yīng)的機(jī)器指令代碼并進(jìn)入下一步，否則執(zhí)行第四步；

第六步，指令指針增加已匹配模式對應(yīng)指令數(shù)，若所有中間代碼已完成匹配，結(jié)束流程，否則執(zhí)行第二步。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本文使用如圖9 所示的頂點(diǎn)和片段著色器對編譯器進(jìn)行基本功能測試。

頂點(diǎn)著色器經(jīng)編譯器處理得到如表5 所示偽代碼。

片段著色器經(jīng)編譯器處理得到偽代碼如表6所示。

應(yīng)用程序輸出渲染效果如圖10 所示，說明著色器經(jīng)編譯器編譯可正常工作，驗(yàn)證了編譯器的基本功能。

圖9 測試用著色器

表5 實(shí)驗(yàn)頂點(diǎn)著色器優(yōu)化后偽代碼

表6 實(shí)驗(yàn)片段著色器偽代碼

圖10 渲染效果

5 結(jié)語

本文根據(jù)GLSLv1.10的特點(diǎn)，借助Flex與Bison工具設(shè)計(jì)了GLSL 編譯器的前端；以三地址碼作為中間表示使后端可以應(yīng)用多種成熟的機(jī)器無關(guān)代碼優(yōu)化技術(shù)，并針對國產(chǎn)GPU 平臺的SIMD 指令集架構(gòu)應(yīng)用乘加指令優(yōu)化和向量指令合并進(jìn)一步優(yōu)化代碼；最終鏈接生成目標(biāo)機(jī)器代碼。該編譯器可將GLSLv1.10 編寫的著色器編譯成該國產(chǎn)GPU 平臺上可執(zhí)行的代碼，為國產(chǎn)GPU 對OpenGL 規(guī)范的支持做出了一定的貢獻(xiàn)，由于對應(yīng)的版本相對落后，與今天商用平臺的仍有很大差距，今后仍需進(jìn)一步拓展編譯器功能，以支持更高版本的GLSL，同時(shí)繼續(xù)深入研究編譯過程中的優(yōu)化技術(shù)，以提高輸出機(jī)器碼質(zhì)量。