DirectX 12 장치 초기화 이해하기 (4)

 

 

 

 

 

[ DirectX 12 장치 초기화 단계 ]

 

1 단계 Device(그래픽 디바이스) 생성.

2 단계 CommandQueue와 CommandList 생성.

3 단계 SwapChain 생성.

4 단계 FenceObject 생성.

5 단계 렌더타겟(RenderTarget)과 깊이/스텐실(Depth/Stencil) 버퍼 생성.

 

 

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[ 4 단계 FenceObject 생성 ]

CPU와 GPU의 동작 순서

CPU와 GPU가 병렬적으로 동작하기 위해서는 동기화(Synchronization)가 필요하다.

기본적으로 CPU는 리소스를 생성(Write)하고, GPU는 이 리소스를 사용(Read)한다.

병렬 처리에서 공유되는 리소스에 대한 동기화 처리가 필요하다.

 

CPU는 렌더링에 필요한 모든 데이터를 ID3D12Resource COM객체에 저장한다.

(버텍스 버퍼, 인덱스 버퍼, 텍스쳐, 렌더 타겟, 깊이/스텐실 버퍼 등등 렌더링에 필요한 모든 자원들)

 

n번째 프레임에 대한 장면을 렌더링 하기 위해 CPU가 데이터를 넣고 GPU가 그림을 그린다고 가정하자.

n번째 렌더링 데이터를 GPU가 아직 실행하지 않았는데,

CPU가 n+1번째 프레임 렌더링 데이터를 넣으려고 하면 GPU와 동기화 문제가 생긴다.

의도하지 않은 데이터가 들어가서 제대로 그려지지 않게 된다.

 

n번째 프레임에 대하여 CPU가 데이터를 넣고, GPU가 렌더링을 처리한 후에

CPU는 n+1번째 프레임 렌더링 데이터를 GPU에 넘겨줘야 한다.

즉, CPU는 GPU의 렌더링 작업이 모두 끝날 때까지 기다려야 한다.

 

 

[ ID3D12Fence ]

 

CreateFence

동기화의 기본적인 개념은 CPU에다가 GPU가 끝나기 전에 동작하지 못하도록 장막을 설치해주는 것이다.

이 방법으로 Direct3D가 사용하는 오브젝트가 바로 Fence 오브젝트이다.

Fence도 COM 객체 이므로 ID3D12Fence*를 선언하고 디바이스를 통해 생성한다.

 

Fence InitialValue

CreateFence()의 첫 번째 인자는 FenceValue의 초기 값이다.

FenceValue는 프레임 번호로 이해하면 가장 이해하기 쉽다.

초기 값은 0으로 설정한다. 이는 0번째 프레임부터 시작한다는 의미이다.

첫 번째 인자의 자료형이 UINT64 자료형이다. (값의 범위가 0 ~ 2^64 - 1)

이는 1초에 1,000장씩 프레임을 갱신해도 100년 동안 2^64가 안된다.

즉, 이 FenceValue는 매 프레임마다 값을 증가시켜야 하기 때문에

오버플로우 될 일이 없는 굉장히 큰 정수형 자료형을 사용한다.

 

두 번째 인자는 D3D12_FENCE_FLAGS값 이다.

FENCE_FLAGS는 특별한 기능이 필요 없으므로 FLAG_NONE으로 설정한다.

(멀티 쓰레드를 사용한다면 D3D12_FENCE_FLAG_SHARED로 설정할 수 도 있다.)

 

Fence오브젝트와 VenceValue

Fence 오브젝트 값은 CommandQueue도 알고 있고, 우리가 만든 응용프로그램도 알고 있는 값이다.

최초 시작 시(0번째 프레임) FenceValue의 값이 1이 될 때까지 CPU는 계속 대기하다가

GPU가 모든 렌더링 처리를 끝내면 값을 증가시켜 CPU가 다음 프레임으로 동작할 수 있도록 한다.

 

 

Fence 오브젝트 인터페이스

Fence 오브젝트는 내부적으로 3개의 멤버 함수를 갖고 있다.

- GetCompleteValue() 함수는 현재 Fence 오브젝트가 갖고 있는 UINT 값을 반환해준다.

- Signal() 함수는 Fence의 값을 내가 원하는 값으로 바꿀 수 있는 함수이다.

- SetEventOnCompletion() 함수는 첫 번째 인자로 들어온 값으로 Fence 오브젝트가 바뀌게 되면,

두 번째 인자로 들어오는 HANDLE Event를 TRUE로 만들어주는 함수이다.

 

인자로 들어가는 Event는 WinAPI가 제공하는 동기화 오브젝트이다.

크리티컬섹션, 세마포어, 이벤트, 뮤텍스.. 등등. Event는 그중 가장 간단한 형태의 동기화 기법이다.

Event는 BOOL 변수이다. 운영체제가 이 값이 TRUE인지 FALSE인지 관리해준다.

Event라는 객체를 만들어 놓고 이 Event의 값이 TRUE냐 FALSE이냐를 읽어올 수 있는 형태가 되고,

이 Event를 기다리는 함수들을 WinAPI가 만들어서 제공한다.

 

CreateEventEx

Event를 만들고자 한다면 CreateEventEx라는 WinAPI함수를 사용하면 된다.

Event가 만들어지면 HANDLE값을 반환해준다.

HANDLE을 사용해서 Event의 값이 TRUE인지 FALSE인지 알 수 있다.

대부분 초기 이벤트의 발생은 FALSE로 만든다.

 

 

 

[ ID3D12CommandQueue ]

 

위에서 Fence 오브젝트를 설명할 때 Fence 오브젝트 값은 CommandQueue도 알고 있고,

우리가 만든 응용프로그램도 알고 있는 값이라고 설명했다.

CommandQueue에는 Signal()과 Wait() 두 가지 멤버 함수가 있다.

 

1. Signal() : Fence값이 원하는 값으로 도달될 때 통지를 받는 함수이다.

Signal() 함수의 첫 번째 인자는 Fence 오브젝트, 두 번째 인자는 FenceValue이다.

Fence값이 원하는 값으로 도달될 때까지 기다릴 때 두 가지 방법이 있다.

- 폴링 : 주기적으로 이벤트를 확인한다. 간단하지만 비효율적인 방법이다.

- 이벤트 통지 : 이벤트가 끝났다고 알려주는 방식이다.

즉, CommandQueue가 Fence값이 0에서 1로 계속 주기적으로 들여다보는 방식보다

운영체제를 통해서 Event 통지를 받을 수 있는 방식이 더 효율적이다.

 

비유를 해서 설명하자면

Signal() 함수를 호출하면, CommandQueue의 마지막 CommandList 끝에다가

Fence의 값을 1 증가시키는, 혹은 기다리고 있는 값이 되도록 하는 코드를 넣었다고 가정하자.

명령이 전부 끝나게 되면 Fence값이 0 -> 1로 바뀌게 될 것이다.

CommandQueue는 Fence값이 1이 되면 통지를 해달라고 Fence에게 값을 알려줬다.

그렇게 되면 CommandQueue는 통지를 받게 되고, 다른 작업을 하다가 Fence의 값이 1이 됐으니

CPU가 다음 프레임 데이터를 만들어서 Resource에 넣을 수 있도록 다시 동작하게 한다.

이 작업을 반복 수행하여 CPU와 GPU의 동기화를 한다.

 

2. Wait() : GPU를 기다리게 한다.

GPU는 비싼 동작이므로 GPU를 기다리는 동작은 의미가 없다.

대부분 Signal() 함수만 사용하면 된다.

 

WinAPI가 제공하는 '기다리는 함수'는 WaitForSingleObject() 함수이다.

이를 통해 Event가 TRUE가 될 때까지 기다린다.

일이 모두 끝날 때까지 기다리므로 INFINITE를 설정한다.

 

 

 

 

[ Fence 오브젝트를 통한 CPU/GPU 동기화 ]

 

CPU/GPU 동기화

0번째 프레임부터 시작한다고 가정하면,

현재 CPU는 0번째 프레임에 대한 렌더링 데이터의 입력을 모두 마친 상태이다.

따라서 CPU의 Fence값은 1 증가시킨다. (FenceValue CPU : 1 / GPU : 0)

CommandQueue의 Signal() 함수를 통해 Fence값이 1이 되면 통지받겠다고 설정을 한다.

그다음 CreateEventEx함수를 통해 Event를 생성해준다. 초기 값은 FALSE이다.

생성한 Event HANDLE이 TRUE가 될 때까지 무한히 기다린다. (INFINITE)

GPU가 모든 렌더링 작업을 마치면 Fence 값은 1 증가될 것이다.

그러면 이제 CPU는 n+1번째 프레임의 렌더링 데이터를 넣을 수 있게 된다.

이를 반복하는 작업을 통해 CPU와 GPU의 동기화를 한다.