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Windows 图形显示驱动开发-WDDM 2.0功能_上下文监视

news 来源：原创 2025/9/14 14:05:59

功能概述

上下文监视机制是GPU与CPU协同计算的核心同步技术，通过受监视围栏（Monitored Fence）实现跨硬件单元的高效协调。其核心目标是解决以下场景的同步需求：

  • GPU引擎间同步：例如在多渲染管线中，后处理阶段需等待前级计算完成。
  • CPU-GPU异构同步：如CPU需确保GPU完成纹理上传后再进行后续逻辑处理。
  • 跨设备资源访问：在异构计算集群中，避免多个GPU或CPU核心对共享资源的读写冲突。

传统信号量机制存在内核态切换开销大、灵活性不足等问题，而受监视围栏通过以下创新实现优化：

  • 硬件级原子操作：直接通过GPU/CPU虚拟地址读写围栏值，减少软件层干预。
  • 分离式地址映射：为CPU和GPU提供独立的内存视图，兼顾安全性与性能。
  • 自适应环绕处理：针对32位原子操作硬件自动管理围栏值溢出，降低开发者负担。 

受监视围栏的创建

创建流程与技术细节

1. 触发条件

  • Direct3D运行时检测到应用程序调用CreateFence API时，生成D3DDDI_MONITORED_FENCE类型的请求。
  • 用户模式驱动程序（UMD）通过CreateSynchronizationObjectCb回调接收创建指令。

2. 参数定义

  • 初始值（InitialValue）：通常设为0，表示围栏初始未触发状态。在环形缓冲区场景中可预设为历史最大值以规避环绕问题。
  • 标志位（Flags）：
  1. D3DDDI_FENCE_FLAG_SHARED：允许跨进程共享围栏对象。
  2. D3DDDI_FENCE_FLAG_CPU_WRITABLE：启用CPU直接写权限（需硬件支持MMIO）。
  3. D3DDDI_FENCE_FLAG_GLOBAL_TIMEOUT：设置全局等待超时阈值（默认禁用）。

3.内核资源分配

图形内核完成以下操作：

  • 在非分页内存池分配同步对象控制块（Sync Control Block, SCB），存储围栏状态机信息。
  • 建立双重地址映射：
  1. CPU端映射：将物理地址转换为FenceValueCPUVirtualAddress，属性为MEMORY_CACHED_TYPE_WRITEBACK，确保CPU读取时可通过缓存加速
  2. GPU端映射：若硬件支持Reserved Virtual Address (RVA)，则分配固定GPU虚拟地址FenceValueGPUVirtualAddress，否则使用PCI BAR空间映射。
  • 初始化围栏监控线程，该线程以10μs周期轮询高优先级围栏对象（可通过注册表调整间隔）。

4.返回值结构

字段技术规格
hSyncObject64位内核对象句柄，包含版本号（高16位）和对象ID（低48位），有效周期与设备绑定。
FenceValueCPUVirtualAddress对齐至64字节缓存行，避免False Sharing。支持通过CLFLUSH指令手动刷新缓存。
FenceValueGPUVirtualAddress对于NVIDIA Ampere架构，强制使用Non-Coherent内存属性以兼容L2 TCC缓存策略。

原子操作兼容性处理

当GPU声明DXGK_VIDSCHCAPS::No64BitAtomics=1时，系统启用兼容模式：

  • 将64位围栏拆分为两个32位寄存器（高32位为周期计数器，低32位为递增值）。
  • 每次信号操作自动执行:
if (Low32 == UINT32_MAX) {  High32++;  Low32 = 0;  
} else {  Low32++;  
}
  • 等待逻辑改为：TargetValue ≤ (High32 << 32) | Low32
  • 约束条件：TargetValue - LastSignaledValue < UINT32_MAX/2，防止高32位计数器溢出误判。

GPU信号机制

硬件信号路径

支持原子写入的GPU可直接生成以下机器指令：

; AMD GCN 示例  
global_atomic_add_x2 v[FenceValueGPUVirtualAddress], v[signal_value]  
s_waitcnt lgkmcnt(0)

此操作在GPU L1缓存中完成，约消耗40个时钟周期。

软件信号路径


当GPU无法直接访问围栏地址（如旧式移动GPU），UMD需构造信号包：

  • 在命令缓冲区插入NOP占位符，预留12字节空间。

  • 调用SignalSynchronizationObjectFromGpuCb，内核将填充以下微代码：
0xCAFEBABE  // 魔数标识信号包  
FenceObjectID  
SignalValue
  • GPU调度器执行到该包时，通过PM4引擎间接更新围栏值，增加约200ns延迟。

内核监控流程

  • 每个GPU上下文维护一个PendingFenceList，记录未完成的围栏信号。
  • 调度器在提交命令缓冲区前，执行以下操作：
  1. 将当前时间戳写入围栏值的Bit 63-62（保留位），用于死锁检测。
  2. 使用红黑树按信号值排序，优化遍历效率。
  • 完成事件触发后，内核工作者线程：
  1. 锁定围栏对象的自旋锁（SpinLock）。
  2. 对比当前值与等待队列中的目标阈值。
  3. 对满足条件的等待项，调用KeSetEvent唤醒相关线程。

GPU等待操作

精细化依赖管理

1.多级等待链

例如：
UMD可提交嵌套等待指令

// 等待FenceA≥100 且 FenceB≥200  
pfnWaitForSynchronizationObjectFromGpuCb(hFenceA, 100, D3DDDI_WAIT_FLAG_AND);  
pfnWaitForSynchronizationObjectFromGpuCb(hFenceB, 200, D3DDDI_WAIT_FLAG_AND);

内核将其转换为依赖图节点，确保所有条件满足后才调度后续任务。

2.超时处理


若等待超过500ms（可配置），内核触发Timeout Workflow：

  • 生成WER错误报告，包含当前所有围栏状态快照。
  • 强制推进围栏值至目标值，标记设备为"丢失"状态。
  • 向UMD返回STATUS_GRAPHICS_DRIVER_THREAD_REQUEST_TIMEOUT错误码。 

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