GPU 内存、缓冲压缩与多重缓冲

总线与内存架构（23.4 节）

• 端口连接两个设备，总线是多设备共享通道，带宽以 B/s 计。
• 独立 GPU 常有专用显存，比通过总线访问系统内存快得多：16 通道 PCIe v3 双向各 15.75 GB/s、v4 为 31.51 GB/s，而 GTX 1080 的显存达 320 GB/s。
• 纹理和渲染目标放显存；只由模型矩阵和顶点着色器动画的数据（包括用 GPU 顶点混合的角色网格）用静态顶点/索引缓冲放显存；CPU 每帧更新的顶点用动态缓冲放在可经 PCIe 访问的系统内存。PCIe 的请求可流水化。
• UMA：多数游戏主机（所有 Xbox、PS4）的 CPU 与 GPU 共用同一内存和总线；Intel Gen9 也共享内存，但 GPU 自有 L1/L2/L3，末级缓存 (LLC) 才是层次中第一个共享资源。

缓存与压缩（23.5 节）

缓存层次利用访问局部性降低延迟和带宽。缓冲和纹理按瓦片存储：例如缓存行 64 B、颜色 4 B/像素时，可把 4×4 像素瓦片存成 64 B。

瓦片表为每个瓦片记录状态：压缩（可能有多种压缩等级）、未压缩或已清除。可压到的等级取决于最小内存传输粒度：若最小传输 32 B，64 B 瓦片只能压到 50%；128 B 瓦片则可压到 75%、50%、25%。深度、颜色、模板都可用类似结构。

• 快速清除：清除时只把所有瓦片状态设为已清除而不碰帧缓冲；读取时发现已清除就直接在缓存中填入清除值，无需读取和解压。
• 写回：瓦片被逐出缓存时送入压缩器，可尝试多种模式取位数最少者；API 要求无损，全部失败就退回未压缩。因此无损渲染目标压缩永远不能减少内存占用，只减少带宽。
• 缓存前/后压缩：压缩器放在缓存之后（post-cache）或之前（pre-cache）；后者能大幅增加有效缓存容量但系统更复杂。
• 算法多为存一个代表整个瓦片的锚值，再以不同方式编码相对差值；深度在屏幕空间是线性的，常用平面方程或差分的差分。有损颜色压缩仍在研究，作者所知尚无硬件支持。

颜色缓冲模式（23.6 节）

每通道只有 32 或 64 级时相邻色阶容易分辨，称为色带 (banding/posterization)，马赫带效应会放大差异；抖动用空间分辨率换有效颜色分辨率，24 位显示器上的渐变也可能有色带，可加噪声掩盖。混合由 ROP 单元完成，每个 ROP 通常连到一个内存分区（如广义棋盘格分配）。

显示控制器与刷新

视频显示控制器 (VDC) 支持 HDMI、DisplayPort、DVI、VGA 等接口，还可做缩放、降噪和多图像源合成。刷新率通常 60～144 Hz，多数人在低于 72 Hz 时察觉闪烁；高刷新率下图像常显示多次或插入黑帧，以减少眼睛运动造成的拖影。HDR 显示器每通道 10 位以上；Dolby 用低分辨率 LED 背光阵列增强 LCD，亮度约 10 倍、对比度约 100 倍。FreeSync/G-sync 让显示器刷新跟随 GPU 出帧（一帧 10 ms、下一帧 30 ms 时，各自渲染完立即开始更新），更流畅；图像不变时无需传送颜色缓冲，还能省电。

单、双、三缓冲

• 单缓冲：绘制过程对观众可见，清除或画大三角形时可看到部分更新，即撕裂。如今很少用，可能的例外是 VR 中"追逐光束"以降低延迟。
• 双缓冲：前缓冲显示完成图像，后缓冲绘制，通常在整幅图像传送完后（vsync）交换指针。不等 vsync 立即交换可最大化帧率（也用于基准测试），会撕裂，但两幅都是完整图像，比单缓冲轻。
• 三缓冲：增加一个待定 (pending) 缓冲，等 vsync 时仍可继续绘制；代价是延迟最多增加一整帧，输入响应变迟钝。更多缓冲可平衡帧时间波动但进一步增加延迟；可看作环形结构，渲染指针领先显示指针，二者不能重合。

多 GPU（SLI/CrossFire X）：分屏或交替帧渲染 (AFR)。AFR 听起来会增加延迟，但若 GPU 是瓶颈，单 GPU 10 FPS 时两块可达 20 FPS，每块渲染一帧的时间不变，延迟不一定改变。分辨率不断提高，也可在屏幕或表面上自适应改变像素着色率。

flowchart LR
  A["瓦片被逐出缓存"] --> B{"尝试压缩模式"}
  B -->|"成功"| C["状态=压缩, 传少量字节"]
  B -->|"全部失败"| D["状态=未压缩"]
  E["清除命令"] --> F["状态=已清除, 不写内存"]
  F --> G["读取时直接填清除值"]

如上图，瓦片表同时支撑压缩和快速清除。

GEA 的视角：帧缓冲、显存与交换链（卷 II 11.3.1.1、11.3.4、11.4.4）

显存与扫描输出

• PC 上 GPU 有直接访问的显存 (VRAM)，物理上在显卡上，CPU 只能经 PCIe 总线间接访问；向 GPU 提供顶点、索引、矩阵、纹理等数据时，要先由 CPU 写进主内存，再经 PCIe 上传到显存（卷 II 11.3.1.1、11.4.4）。
• 显卡上的专用芯片逐行扫描帧缓冲，把像素数据转成信号送给显示器，到底后回到顶部重来，这个频率就是刷新率。GEA 举的是电视制式：北美和日本的 NTSC 为 60 Hz，欧洲等地的 PAL/SECAM 为 50 Hz。
• 显示硬件要求最终图像是它能理解的格式，通常是 RGB 加可选 alpha（alpha 被显示硬件忽略，但合成时有用）。若引擎输出 HDR 格式，就要自己做色调映射转成 sRGB 编码（见 色调映射、显示编码与 sRGB）。

与 RTR4 的分歧：主机内存架构的叫法

两书描述的物理事实相同（CPU 与 GPU 共享同一片内存），但用的术语不同，GEA 的 NUMA 与 RTR4 的 UMA 字面意思相反。这里并列记录。

原书问题（11.3.1.1）：这里 RTR4 的用词是对的，GEA 的"NUMA"是误用。NUMA（非一致内存访问）指多处理器系统中访存延迟取决于内存相对处理器的位置（本地节点快、远端节点慢），例如多路服务器（Wikipedia "Non-uniform memory access"）；CPU 与 GPU 共用同一个物理内存池、彼此可见，正是统一内存架构 (UMA)，AMD 为 PS4/Xbox One 一代 APU 宣传的也叫 hUMA（heterogeneous Uniform Memory Access，Wikipedia "Heterogeneous System Architecture"）。

双缓冲、三缓冲与可变刷新率

• 撕裂：引擎写帧缓冲的同时显示硬件在读，画面下半部分是旧帧、上半部分是新帧。双缓冲用后缓冲绘制、前缓冲显示，扫描完成且绘制完成时翻转 (flip)，前后缓冲合称交换链 (swap chain)。
• 三缓冲：一个前缓冲加两个后缓冲 A、B 组成环；每次翻转时前缓冲变成后缓冲 B，B 变成 A，A 变成前缓冲。GEA 强调的好处是：渲染一帧的时间短于显示刷新间隔时，引擎画完 A 可以立即开始画 B，不必等下一次翻转（卷 II 11.3.4.1）。
• 可变刷新率 (VRR)：显卡直接控制显示器刷新率，与游戏出帧同步，既消除撕裂，又让引擎不必等显示器下一次刷新才能翻转。

两书对三缓冲的侧重点不同：RTR4（本页「单、双、三缓冲」）强调它最多增加一整帧延迟、输入响应变迟钝；GEA 只讲它免去等待翻转的吞吐好处，没有讨论延迟。两者不矛盾，选用时应同时考虑。

帧缓冲的颜色格式

颜色格式（RGB888、RGB565、RGBA8888、FP16 等）与 HDR 编码见 显示编码与 sRGB 中的 GEA 部分。