DirectX 12 장치 초기화 이해하기 (5) - part 1

 

 

 

 

 

[ 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.

 

---

 

렌더타겟 버퍼와 깊이/스텐실 버퍼를 만들기 전에

먼저 리소스(Resource) & 리소스 뷰(Resource View) 그리고

서술자 힙(Descriptor Heap)에 대한 이해가 필요하다.

 

 

[ 리소스 (Resource) ]

 

모든 그래픽 디바이스(GPU)가 렌더링을 할 때는 크게 두 가지 구분으로 나뉜다.

CPU : C++ 라이브러리를 통해 프로그램을 실행시킨다.

GPU : Direct 3D 라이브러리를 통해 프로그램을 실행시킨다.

셰이더 프로그램

GPU가 어떤 일을 하기 위해서는 셰이더(Shader) 프로그램이 있어야 한다.

셰이더(Shader)는 GPU에서 렌더링을 하기 위해 실행되는 프로그램이다.

Direct 3D는 셰이더로 렌더링을 하기 위해 특정 파이프라인을 제공한다.

셰이더로 넘겨줘야 하는 모든 데이터들을 리소스(Resource)라고 한다.

즉, 리소스는 GPU가 사용하는 데이터들을 말한다.

 

 

리소스의 구분

리소스를 크게 구분하면 텍스처(Texture)와 버퍼(Buffer) 두 가지이다.

텍스처는 이미지, 그림 데이터를 의미한다. (주로 2D 텍스처만 다룬다)

버퍼는 그림이 아닌 데이터를 의미한다. (행렬, 벡터, 사용자 정의 데이터 자료형 등등)

모든 리소스(Resource)는 기본적으로 텍스처(Texture) 아니면 버퍼(Buffer)이다.

 

 

 

[ 리소스 뷰 (ResourceView) ]

 

DirectX 11에서는 뷰(View)라는 용어를 사용했다.

DirectX 12에서는 뷰(View)라는 표현도 사용하고 서술자(Descriptor)라는 표현으로도 사용한다.

서술자(Descriptor)는 하나의 리소스에 대한 정보를 포함하는 자료구조를 의미한다.

 

DirectX 12에서 리소스를 만들어서 GPU가 사용하기 위해서는 이 리소스에 대한 뷰(View)가 필요하다.

리소스 뷰(ResourceView)는 리소스를 바라보는 관점을 어떻게 할 것인가를 의미한다.

리소스는 비디오 메모리에 있는 데이터 집합이다. (비트들의 덩어리)

이 비트들의 정보를 어떤 관점에서 바라볼 것인가를 정의하는 것을 의미한다.

 

만약 뷰(View)를 다르게 하면 똑같은 데이터도 의미가 달라지게 된다.

따라서 뷰(View)는 함부로 바꿔서는 안 된다.

만든 사람이 어떻게 만들었는지 모르는데, 뷰를 바꿔버리면 렌더링의 왜곡이 일어나기 때문이다.

텍스처 리소스를 예로 들어보자.

그림의 내용은 GPU가 그림을 그리는 동안에는 픽셀의 내용이 바뀌지 않는다.

그래서 텍스처 리소스의 뷰는 READ_ONLY이다. (D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ)

읽기 전용이므로, 렌더링을 하는 동안 픽셀의 내용이 바뀌지 않을 것이다.

이를 WRITE 대상으로 써도 상관은 없지만, 그렇게 하려면 READ_ONLY라는 뷰가 바뀌어야 한다.

READ_ONLY 상태 인대, WRITE를 하려고 시도하면 에러가 발생한다.

 

지금까지 리소스 뷰(Resource View)에 대한 설명을 종합해보면,

모든 리소스들에 대해서는 리소스를 사용하는 쪽에서

"어떻게 이 리소스를 사용할 것이냐"를 정해줘야 한다. 이를 정의해놓은 것이 리소스 뷰이다.

 

Set Vertex/Index BufferView

DirectX 12에서 셰이더 프로그램은 리소스를 직접 넘겨받지 않고

"리소스 뷰(Resoruce View)만 넘겨받아서 사용한다."

따라서 모든 GraphicsCommandList의 리소스에 대한 Set함수들은 View로 끝난다.

뷰(View)만 넘겨주면 GPU는 숨겨져 있는 리소스에 접근할 수 있게 된다.

뷰(View)는 리소스를 찾아갈 수 있는 정보(포인터)가 내포되어있기 때문이다.

 

리소스 뷰(Resource View)의 종류

리소스 뷰(Resource View)에는 여러 종류들이 있다.

상수 버퍼 뷰, 렌더타겟 뷰, 깊이/스텐실 뷰.. 등등

- 상수 버퍼 뷰(ConstantBufferView)는 상수 버퍼이므로, GPU에서 값을 못 바꾼다.

- 무순서화 접근 뷰(Unordered Access View)는 GPU에서

이 버퍼의 내용을 바꿀 수 있다는 의미를 내포하고 있다.

(픽셀 셰이더, 계산 셰이더에서 어떤 버퍼의 내용을 쉐이더 코드로 바꿀 수 있다.)

 

정리해서 기본적으로 반드시 이해하야 할 내용은 다음과 같다.

1. 리소스(Resource)는 텍스처(Texture)나 버퍼(Buffer) 두 가지로 구분할 수 있다.

2. 뷰(View)는 CBV, UAV, SRV.. 등등 용도에 따라 세분화되어있다.

3. GPU는 항상 뷰(View)를 통해서 값을 READ 한다. (중요!)

4. 뷰(View)를 Set 하기 위해서는 먼저 리소스(Resource)를 만들어야 한다.

5. 리소스를 만든 후에, 이 리소스에 대한 뷰(View)를 만들어 준다.

(뷰를 Set 하는 의미는 하나의 셰이더에 뷰를 바꿔가며 넘겨줘도 된다는 것을 의미)

 

 

 

[ 리소스 생성 (Create Resource) ]

 

Direct3D가 제공하는 리소스는 크게 3가지 종류가 있다.

1. 커밋 리소스 (Committed Resource)

- 가상 메모리 공간과 물리적 메모리 공간을 모두 생성.

- Direct3D 12에서 힙(HEAP)을 할당할 때 커밋 리소스의 물리적 메모리를 생성함.

2. 위치 리소스 (Placed Resource)

- 힙(HEAP)의 어떤 영역에 대한 포인터(겹칠 수 있는 문제가 있을 수 있음)

3. 예약 리소스 (Reserved Resource)

- 자체적인 GPU 가상 주소 공간을 가짐.

- 나중에 가상 페이지를 힙(HEAP)의 어떤 영역으로 매핑할 수 있음.

- 모든 Direct3D 12 하드웨어에서 제공되지는 않음.

 

 

Direct3D는 리소스를 만들 때 윈도우 운영체제의 "가상 메모리"를 사용한다.

가상 메모리란 간단히 설명하면 실제로는 없는 메모리지만, 있는 메모리처럼 해주는 것이다.

가상 메모리의 장점은 RAM 메모리보다 많은 메모리를 사용할 수 있다는 점이다.

물리적으로 존재하지 않는 메모리들을 효율적으로 사용해서 여러 개의 프로그램들이 돌아갈 때,

물리적 메모리가 부족하더라도 하드 디스크 등을 사용해서 메모리가 무한정 있는 것처럼 관리가 가능하다.

(대부분 운영체제들이 이를 지원. 가상 메모리를 지원하는 운영체제는 동적할당이 실패할 일이 없음.)

GPU의 비디오 메모리는 CPU 메모리와 비교하면 굉장히 비용이 비싸고 훨씬 빠르다.

그래서 GPU 쪽에서도 물리적으로 존재하는 메모리 이상을 쓸 수 있도록 가상 메모리를 제공해준다.

 

 

커밋 리소스 생성

커밋 리소스(Committed Resource)는 ID3D12Device의 CreateCommittedResource()를 통해 생성 가능하다.

DirectX 12에서 모든 리소스는 ID3D12Resource COM 객체에 만들어진다.

반환되는 인터페이스 포인터 주소는 물리적인 주소가 아니라, 가상 메모리(Virtual Address) 주소이다.

(커밋 리소스, 위치 리소스, 예약 리소스의 반환되는 리소스는 전부 가상 메모리의 주소이다.)

그런데, CreateCommittedResource()를 통해서 리소스를 생성하면

가상 메모리에다가 리소스를 만들어서 반환하는 것과 더불어서

물리적인 메모리에다가도 이 리소스 메모리가 매핑(Mapping)될 메모리를 미리 할당한다.

즉, 커밋 리소스는 가상 메모리 + 물리적 메모리 둘 다 생성하는 리소스이다. (1:1로 대응)

(나중에 리소스가 많아지게 되면 그래픽카드 물리적 메모리가 부족할 수 있음)

 

혹시라도 그래픽카드의 메모리가 걱정된다면 PlacedResource를 만들면 된다.

PlacedResource는 리소스를 생성할 때 물리적인 메모리가 만들어지지 않는다.

그렇지만 PlacedResource를 사용하려면 HEAP 메모리 공간을 반드시 할당해야 한다.

(리소스의 매핑(Mapping) 영역을 지정해줘야 한다)

두 물리적인 공간에 두 개의 리소스가 겹쳐서 매핑(Mapping)되는 경우도 있다.

동시에 일어나지만 않으면 문제없이 잘 사용될 수 있다.

 

정리하면

커밋 리소스를 사용하면 물리적인 메모리, 즉 HEAP 공간이 자동으로 할당 하지만

위치 리소스를 만들어 사용하려고 하면 HEAP영역을 따로 만들어서 사용해야 한다.

대부분 DirectX 12 샘플 예제와 루나 책에서는 커밋 리소스만 써서 리소스를 만들어 사용한다.

(가상 메모리와 물리적 메모리를 동시에 할당해줘서 편리하기 때문)

 

CreateCommittedResource

커밋 리소스를 생성하기 위해서는 위 함수들의 인자들을 설정해야 한다.

 

1. D3D12_HEAP_PROPERTIES

커밋 리소스는 가상 메모리와 물리적 메모리(HEAP)를 동시에 만들어 주기 때문에 

HEAP영역의 속성을 설정해줘야 한다.

 

Type은 힙(HEAP)의 유형을 의미한다. DEFAULT, UPLOAD, READBACK, CUSTOM이 있다.

D3D12_HEAP_TYPE_DEFAULT는 GPU는 읽고 쓰기 가능하고, CPU는 접근할 수 없는 타입이다.

대부분의 리소스를 DEFAULT타입의 힙으로 만든다.

D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD는 CPU의 그림이나 행렬 등의 데이터를 GPU가 WRITE 할 수 있는 타입이다.

즉, GPU에 업로드를 위한 CPU 접근에 최적화된 타입이다.

D3D12_HEAP_TYPE_READBACK은 CPU가 읽어가기 위한 힙(HEAP) 유형이다.

(D3D12_HEAP_TYPE_CUSTOM은 잘 쓰이지 않음)

 

D3D12_CPU_PAGE_PROPERTY는 힙에 대한 CPU-페이지 속성을 나타낸다.

별 다른 속성 없이 D3D12_CPU_PAGE_PROPERTY_UNKNOWN을 설정한다.

 

D3D12_MEMORY_POOL은 힙에 대한 메모리 풀(Pool)을 나타낸다.

별 다른 속성 없이 D3D12_MEMORY_POOL_UNKNOWN을 사용한다.

 

CreationNodeMask는 단일 GPU 어댑터에 대해서는 1을 사용한다.

VisibleNodeMask는 다중 어댑터에서 리소스를 볼 수 있는 토드의 집합을 나타내는 비트이다.

단일 GPU 어댑터에 대해서는 1을 사용한다.

 

2. D3D12_HEAP_FLAGS

특별한 플래그가 없다면 D3D12_HEAP_FLAG_NONE를 사용한다. (주로 NONE을 사용)

 

 

3. D3D12_RESOURCE_DESC

D3D12_RESOURCE_DESC는 생성하려는 리소스를 설명하는 구조체이다. (리소스는 텍스처 or 버퍼)

 

D3D12_RESOURCE_DIMENSION은 리소스의 속성을 설정하는 구조체이다.

주로 BUFFER나 TEXTURE2D를 사용한다.

 

Alignment는 모든 그래픽적인 이미지 혹은 버퍼를 GPU가 사용할 때 편하게 사용할 수 있도록

리소스의 메모리 위치들이 정렬되어서 만들어질 수 있도록 해주는 기준이다.

4KB, 64KB, 4MB 등등 그래픽카드마다 다 다르다.

0을 쓰면 Default로 알아서 Alignment를 정해준다. (64KB)

 

Width와 Height는 가로, 세로 크기를 의미한다.

DepthOrArraySize는 깊이(Z) 혹은 배열이라면 배열의 크기를 설정해주는 값이다.

MipLevels은 밉맵 수준을 설정하는 값이다. 0을 하면 자동으로 계산해준다.

 

DXGI_FORMAT은 리소스의 형식을 설정하는 값이다.

원하는 값을 찾아서 사용하거나, DXGI_FORMAT_UNKNOWN를 설정한다.

 

DXGI_SAMPLE_DESC는 다중 샘플링을 설정하는 값이다. 

 

D3D12_TEXTURE_LAYOUT는 리소스의 연속적인 메모리의 형태를 어떤 방식으로 할지 결정하는 값이다.

1차원 배열의 메모리 형태를 사용하기 위해 D3D12_TEXTURE_LAYOUT_ROW_MAJOR를 설정해준다.

(D3D12_TEXTURE_LAYOUT_ROW_MAJOR는 열 우선을 의미)

 

D3D12_RESOURCE_FLAGS는 특별한 기능이 없다면 D3D12_RESOURCE_FLAG_NONE을 설정한다.

 

 

4. D3D12_RESOURCE_STATES

리소스가 사용되는 방법에 따른 리소스의 초기 상태를 나타내는 값이다.

리소스가 가질 수 있는 상태들은 여러 종류들이 있다.

리소스가 어떤 명령을 실행하기 위해서는 특정한 상태에 있을 때 가능하다.

모든 리소스들은 어느 한순간에 하나의 STATE를 꼭 가지도록 되어있다.

 

하나의 리소스에 두 개 이상의 프로세스가 사용하고 있으면 동기화 문제가 생긴다.

리소스라는 단어 자체는 기본적으로 READ_ONLY의 의미를 내포하고 있다.

GPU 입장에서는 기본적으로 리소스의 내용이 바뀌지 않는다.

CPU 입장에서 리소스는 WRITE의 대상이다.(메쉬, 텍스쳐 등등)

리소스를 관리하기 위해 만든 개념이 RESOURCE_STATE이다.

DirectX 11에서는 그래픽카드 드라이버에서 알아서 내부적인 상태를 관리해줬다.

따라서 프로그래머가 건들 수 없어서 드라이버 성능에 따라 성능 차이가 났다.

DirectX 12에서는 프로그래머가 직접 관리해줘야 한다.

따라서 모든 리소스들은 어떤 상태들을 유지하도록 만들어야 한다.

Vertex/Index 버퍼에 대해서는 주로 D3D12_RESOURCE_STATE_COMMON을 사용한다.

Depth/Stencil 버퍼를 만들 것이라면 D3D12_RESOURCE_STATE_DEPTH_WRITE를 설정한다.

 

5. D3D12_CLEAR_VALUE

D3D12_CLEAR_VALUE는 리소스를 어떤 값으로 초기화할 것인지 설정하는 값이다.

주로 렌더타겟과 깊이/스텐실 버퍼 리소스에 대해 이 값을 설정해준다.

따로 설정하지 않을 것이면 nullptr을 설정한다.

 

6. REFIID riidResource, _COM_Outptr_opt_  void **ppvResource

설정한 값으로 리소스가 생성되고 나면, 반환되는 인터페이스 포인터 값이다.

 

 

 

 

[ 서술자 힙 (Descriptor Heap) ]

 

위에서 리소스를 사용하기 위해서는 항상 뷰(View)를 통해서 사용해야 한다고 설명했다.

DirectX 12에서 실제로 리소스를 사용하기 위해서는 서술자(Descriptor) 또는 뷰(View)를 만들어야 한다.

다시 한번 설명하자면 리소스를 설명하기 위한 자료구조가 있는데, 이것들을 뷰(View)라 한다.

리소스는 뷰(View)를 통해서만 GPU에서 실질적으로 사용된다.

항상 모든 리소스들에 대해 Set 하는 대상은 뷰(View)이다.

이 뷰(View)를 Set 하기 위해 필요한 것이 바로 서술자(Descriptor)이다.

즉, 서술자(Descriptor)는 리소스를 셰이더 혹은 GPU가 사용하기 위한 연결체이다.

 

리소스에 대한 정보는  CreateCommittedResource()를 통해 설정하고 생성된다.

리소스들은 궁극적으로 가상 메모리에 만들어지는 어떤 메모리(포인터)이다.

가상 메모리는 움직일 수 있는 메모리이다. 즉, 주소가 바뀔 수 있음을 내포한다.

그래서 이런 관리를 하기 위해서는 메모리에 대한 포인터를 CPU나 GPU에 직접 맡겨주면 안 된다.

(물리적인 위치가 아니기 때문에 모든 메모리에 관련된 정보(포인터)를 직접 넘겨주면 안 됨)

이를 관리하기 위한 중간 매개체가 바로 서술자(Descriptor)이다.

즉, 리소스 가상 메모리 포인터를 관리해주는 매개체이다.

서술자(Descriptor)는 가상 테이블 주소 혹은 인덱스를 우리에게 넘겨주고,

우리가 필요한 리소스의 위치를 알려준다.

포인터를 따라가면 리소스의 모든 정보가 들어있는 구조체가 있고, 리소스에 접근 가능하다.

 

DirectX는 모든 서술자(Descriptor)들에 대해서 테이블을 만든다.

이 테이블 표를 서술자 힙(Descriptor Heap)이라는 배열이라 한다.

이 배열에 리소스 뷰(Resource View)들을 채워 넣는다.

 

즉, 서술자(Descriptor)는 리소스를 설명하는 자료구조이고, 

서술자를 만들려면 리소스 뷰들을 저장하기 위한 배열(메모리)이 필요하다.

서술자 힙(Descriptor Heap) : 

- 서술자들을 저장하기 위한 배열(메모리 덩어리).

- 비디오 메모리에 만들어지는 정보.

- 힙 각각에는 서술자(Descriptor)들이 저장됨.

 

 

서술자 힙(Descriptor)은 ID3D12DescriptorHeap* 를 선언하고,

ID3D12Device의 CreateDescriptorHeap() 함수를 통해 만들 수 있다.

 

 

서술자 힙을 만들기 위해서는 D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC 구조체 정보를 설정해야 한다.이 구조체는 서술자 힙의 성질을 설정하는 구조체이다.

 

1. D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE

TYPE은 4가지가 있다. 만들고자 하는 리소스 뷰의 타입에 따라 알맞게 설정해준다.

 

2. NumDescriptors

서술자의 개수이다.

즉, 배열 원소의 개수라고 이해하면 된다.

 

3. D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAGS

서술자 힙의 FLAG를 설정하는 값이다.

셰이더에서 서술자 힙을 읽고 사용할 수 있게 하도록

주로 D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_SHADER_VISIBLE를 사용한다.

 

4. NodeMask는 단일 GPU 어댑터에 대해서는 1을 사용한다.

 

 

ID3D12DescriptorHeap은 서술자 원소에 접근하기 위해 3가지 인터페이스를 제공한다.

- GetCPUDescriptorHandleForHeapStart()

리소스에 대한 뷰를 만들고, 포인터를 저장하기 위해 사용한다.

- GetGPUDescriptorHandleForHeapStart()

리소스 가상 메모리에 접근하려고 할 때, 시작 주소가 다를 수 있으므로 GPUStart가 따로 있다.

- GetDescriptorHandleIncrementSize()

서술자 배열 원소 크기를 반환해준다.

 

서술자 힙의 n번째 원소에 접근하고 싶다면 HandleStart + IncrementSize * n을 통해 접근하면 된다.