Vulkan 명령 실행

OpenGL이나 DirectX11 이전 버전과는 달리 Vulkan에서는 모든 GPU 명령이 커맨드 버퍼(Command buffer)를 통해 전달되며, 큐(Queue)를 통해 실행됩니다.

명령을 실행하는 일반적인 흐름은 다음과 같습니다.:

• VkCommandPool로부터 VkCommandBuffer를 할당합니다.
• VkCmdXXXXX 함수를 사용하여 명령을 커맨드 버퍼에 기록합니다.
• VkQueue로 커맨드 버퍼를 제출해 명령을 실행을 시작합니다.

같은 커맨드 버퍼를 여러 번 제출하는 것도 가능합니다. 많은 튜토리얼과 예제에서는 흔히 커맨드 버퍼를 한번만 작성하여 렌더링 루프에서 매 프레임마다 제출하는 방식을 사용합니다. 하지만 이 튜토리얼에서는 매 프레임마다 명령을 작성할 것이며, 이는 실제 렌더링 엔진의 동작 방식과 더 유사하기 때문입니다.

Vulkan에서 명령을 기록하는 것은 상대적으로 비용이 적게 듭니다. 일반적으로 비용이 많이 드는 작업은 VkQueueSubmit 호출로, 이 과정에서 드라이버가 커맨드 버퍼의 유효성을 검사하고 GPU에서 실행하기 때문입니다.

커맨드 버퍼에서 매우 중요한 점은 병렬로 기록할 수 있다는 것입니다. 여러 쓰레드에서 서로 다른 커맨드 버퍼를 안전하게 기록할 수 있습니다. 이를 위해 각 쓰레드는 최소한 하나의 VkCommandPool과 하나의 VkCommandBuffer를 가져야 하며, 각 쓰레드가 자신만의 고유한 커맨드 버퍼와 커맨드 풀(Command Pool)을 사용해야 합니다. 올바르게 설정하면 각 쓰레드에서 커맨드 버퍼를 제출할 수 있습니다. vkQueueSubmit이 쓰레드 안전(thread-safe)하지 않기 때문에, 하나의 큐에는 한번에 하나의 쓰레드만 명령을 제출할 수 있습니다. 대규모 엔진에서는 흔히 백그라운드 쓰레드에서 제출을 처리하며, 메인 렌더링 루프 쓰레드가 실행될 수 있도록 합니다.

VkQueue

Vulkan에서의 큐는 GPU의 실행 포트입니다. 모든 GPU는 사용가능한 여러 큐를 가지며, 서로 다른 명령을 동시에 실행할 수도 있습니다. 서로 다른 큐에 제출된 명령들은 동시에 실행될 수 있습니다. 이는 메인 프레임 루프와 직접적으로 연관되지 않는 백그라운드 작업을 수행할 때 매우 유용합니다. 이를 위해 백그라운드 작업 전용 VkQueue를 생성하여 일반적인 렌더링 작업과 분리할 수 있습니다.

Vulkan의 모든 큐는 큐 패밀리로부터 파생됩니다. 큐 패밀리는 특정 유형의 큐 그룹이며, 지원하는 명령의 종류가 각기 다릅니다.

GPU는 각기 다른 큐 패밀리를 지원합니다. 예를 들어 NVIDIA GT 750TI의 경우, 이 링크에서 확인할 수 있습니다. 이 GPU에는 2개의 큐 패밀리가 있으며, 하나는 모든 기능을 지원하는 16개의 큐로 이루어져 있으며, 다른 하나는 전송(Transfer)만을 지원하는 1개의 큐로 이루어진 큐 패밀리가 있습니다. 반면, 고성능 AMD GPU는 여기를 참고할 수 있습니다.이 GPU에는 5개의 큐 패밀리가 있으며, 각 유형별로 최대 2개의 큐만 존재합니다. 1개의 큐는 모든 기능을 지원하고, 계산(Compute) 및 전송(Transfer) 작업을 지원하는 2개의 큐, 2개의 전송 전용 큐, 2개의 표시(Present) 전용 큐가 있습니다. 이처럼, 각 GPU가 지원하는 큐 패밀리는 상당히 다를 수 있습니다.

대부분의 엔진에서는 3개의 큐 패밀리를 사용하는 것이 일반적입니다. 하나는 프레임을 그리는 데 사용하고, 다른 하나는 비동기 계산(compute), 그리고 다른 하나는 데이터 전송입니다. 이 튜토리얼에서는 단순화를 위해 하나의 큐에서 모든 명령을 실행하겠습니다.

VkCommandPool

VkCommandPool은 VkDevice를 기반으로 생성되며, 해당 커맨드 풀이 명령을 생성할 큐 패밀리의 인덱스가 필요합니다.

VkCommandPool을 VkCommandBuffer의 할당기라고 생각할 수 있습니다. 하나의 풀에서 원하는 만큼 VkCommandBuffer를 할당할 수 있지만, 한 번에 하나의 쓰레드만 명령을 기록할 수 있습니다. 만약 멀티쓰레드 환경에서 명령을 기록하고자 한다면 추가적인 VkCommandPool 객체가 필요합니다. 이러한 이유로, 해당 커맨드 풀과 쌍으로 구성할 것입니다.

VkCommandBuffer

GPU의 모든 명령은 VkCommandBuffer에 기록됩니다. GPU의 작업을 수행하는 모든 함수는 커맨드 버퍼가 VkQueueSubmit을 통해 GPU로 제출될 때까지 실행되지 않습니다.

커맨드 버퍼는 준비(Ready) 상태에서부터 시작합니다. 준비 상태에서는 vkBeginCommandBuffer()를 호출해 기록(Recording) 상태로 변경할 수 있습니다. 이 상태에서 vkCmdXXXXX함수를 호출해 명령을 기록할 수 있습니다. 모든 명령을 기록하고 나면 vkEndCommandBuffer()를 호출하여 실행가능한(Executable) 상태로 변경하면 해당 커맨드 버퍼를 GPU에 제출할 수 있습니다.

커맨드 버퍼를 제출하려면 제출할 명령과 큐를 지정하여 vkQueueSubmit()를 호출합니다. 또한, vkQueueSubmit은 여러 개의 커맨드 버퍼를 한 번에 제출할 수도 있습니다. 제출한 모든 커맨드 버퍼는 보류(Pending) 상태로 변환됩니다.

커맨드 버퍼가 제출되면 여전히 “유효(alive)”하며 GPU에서 처리되고 있습니다. 이 시점에서는 커맨드 버퍼를 리셋하는 것이 안전하지 않습니다. 커맨드 버퍼를 재설정하고 재사용 하기 전에, GPU가 해당 커맨드 버퍼의 모든 명령을 완료했는 지 확인해야 합니다.

커맨드 버퍼를 리셋하기 위해서 vkResetCommandBuffer()를 사용합니다.

커맨드 버퍼가 실행중인 동안 다음 프레임을 계속 그릴 수 있도록 더블 버퍼링을 수행할 것입니다. 이렇게 하면 GPU가 한 버퍼에서 렌더링 및 처리를 수행하는 동안, 다른 버퍼에서 명령을 기록할 수 있습니다.

커맨드 버퍼의 생명주기에 대한 더 자세한 정보는 다음 Vulkan 사양의 관련 글을 참고하세요.

https://www.khronos.org/registry/vulkan/specs/1.2-extensions/html/chap6.html#commandbuffers-lifecycle.

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