CN115482144A - 图形渲染加速设备、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种图形渲染加速设备、系统及方法,将图形渲染硬件封装到所述图形渲染加速设备,连接所述图形渲染加速设备的主机系统免去主机驱动程序的安装,所述图形渲染加速设备具有PCIe接口或NVMe接口,图形渲染API在PCIe层或NVMe+PCIe层上运行。本发明的图形渲染设备不需要硬件特定供应商驱动程序的安装、升级和维护,无需对主机运行的不同操作系统/内核进行繁杂的定制和调整。而且,图形渲染设备可以集成视频编解码功能。另外,通过NVMe‑over‑fabrics可以连接多个图像渲染加速设备,便于扩展图形渲染加速处理设备,提升图形渲染处理性能。
Description
技术领域
本发明涉及图形渲染技术领域,尤其涉及一种图形渲染加速设备、系统及方法。
背景技术
图形渲染系统和API广泛的使用在桌面应用程序的图形用户界面。随着大量2D和3D游戏应用程序的出现,其应用场景日趋广泛。其核心功能就是在目标窗口系统上绘制2D/3D基元,以提供美观,流畅的用户体验。
正是由于图形渲染的广泛应用,业界使用一个定制硬件的分支:图形处理单元(GPU),来对工业、桌面应用程序和游戏应用程序的图形渲染进行硬件加速。
图形渲染通常通过GPU提供的图形API来实现。其种类繁多,主要有:由标准化机构(例如Khronos Group)定义的标准化API,例如Open GL-用于桌面、跨平台图形渲染加速;openGL ES-针对嵌入式设备,主要是针对Android系统;Vulkan,作为低级、高性能、跨平台的图形/计算API。还有一些是由操作系统供应商开发的事实上的标准,例如,用于Windows操作系统的DirectX,以及近年来用于MacOS的Metal。
大多数图形渲染系统,其硬件加软件栈均具有通用的系统架构,包括应用层、标准图形编程接口层、图形API实现层(通常由用户空间驱动程序、内核空间驱动程序组成)和专用硬件/固件。这种通用的图形渲染系统架构,需要每个硬件供应商提供特定的内核模式驱动程序,将其合并到主机操作系统中,以通过系统总线访问图形硬件;并且需要用户模式驱动程序将图形API调用从应用程序转换为供应商特定的命令/数据流,以便提交给供应商GPU硬件并对其进行编程以进行实际渲染。
在GPU虚拟化的应用场景中,未来在不同VM/Container之间的实现GPU 共享,其主要实现方式是单根输入输出虚拟化(SRIOV)或中介直通模式。然而,由于这样的虚拟化映射层,应用处理器(运行在其上的图形渲染应用程序)需要访问GPU硬件时,需要通过上述供应商特定的用户模式加上内核模式驱动程序API转换层来实现这一目标。因此,虚拟化环境中的主机端需要供应商特定的驱动程序。
对于上述现有的图形渲染系统,可扩展性可能会受到系统配备的硬件PCIExpress插槽数量的限制;或者就SRIOV模式而言,设备可以支持的虚拟功能的数量往往是有限的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决现有图形渲染系统需安装和升级驱动及性能扩展受限的问题,本发明提出一种图形渲染加速设备、系统及方法。
根据本发明实施例的图形渲染加速设备,将图形渲染硬件封装到所述图形渲染加速设备,连接所述图形渲染加速设备的主机系统免去主机驱动程序的安装,所述图形渲染加速设备具有PCIe接口或NVMe接口,图形渲染API在PCIe 层或NVMe+PCIe层上运行。
根据本发明实施例的图形渲染加速设备,不需要硬件特定供应商驱动程序的安装、升级和维护,无需对主机运行的不同操作系统/内核进行繁杂的定制和调整。
根据本发明的一些实施例,对于具有PCIe接口的所述图形渲染加速设备,所述主机系统与所述图形渲染API之间通过PCIe预设命令和字段实现通信。
在本发明的一些实施例中,对于具有NVMe接口的所述图形渲染加速设备,所述主机系统与所述图形渲染API之间通过NVMe预设命令和字段实现通信。
根据本发明的一些实施例,所述图形渲染加速设备集成有视频编解功能的视频编解码器。
在本发明的一些实施例中,所述图形渲染设备结构尺寸采用PCIe或SSD外形尺寸。
根据本发明的一些实施例,所述图形渲染设备通过NVMe-over-fabrics连接至主机系统。
在本发明的一些实施例中,所述图形渲染加速设备包括多个图形渲染模块,每个所述图形渲染模块承载多个图形渲染实例。
根据本发明实施例的图形渲染加速系统,所述图形渲染加速系统包括:
主机系统;
多个如上所述的图形渲染加速设备,多个所述图形渲染加速设备通过 NVMe-over-fabrics连接至所述主机系统。
根据本发明实施例的图形渲染加速方法,所述图形渲染加速设备采用如上所述的图形渲染加速设备进行图形渲染加速,所述方法包括:
将图形渲染API调用和数据打包成目标格式,通过PCIe总线转发到运行在 PCIe上的图形渲染设备进行渲染处理;
将完成渲染处理后的数据发送回主机系统。
根据本发明的一些实施例,当所述图形渲染加速设备集成有视频编解功能的视频编解码器时,所述方法还包括:
将完成渲染处理后的数据发送至所述视频编解码器进行视频编解码处理。
本发明具有如下有益效果:
图形渲染设备不需要硬件特定供应商驱动程序的安装、升级和维护,无需对主机运行的不同操作系统/内核进行繁杂的定制和调整。而且,图形渲染设备可以集成视频编解码功能。另外,通过NVMe-over-fabrics可以连接多个图像渲染加速设备,便于扩展图形渲染加速处理设备,提升图形渲染处理性能。
附图说明
图1为根据本发明实施例的Type-1设备直接连接到主机,图形API在 PCIe层上运行示意图;
图2为根据本发明实施例的Type-1设备直接连接到主机,图形API在 NVMe+PCIe层上运行示意图;
图3为根据本发明实施例的Type-2设备直接连接到主机,图形API在 PCIe层上运行示意图;
图4为根据本发明实施例的Type-2设备直接连接到主机,图形API在 NVMe+PCIe层上运行示意图;
图5为根据本发明实施例的带有Type-1或Type-2设备的NVMe JBOF 通过NVMeover Fabrics连接到主机的系统示意图;
图6为根据本发明实施例的硬件/软件堆栈/连接的示例,连接了多个Type-1 或Type-2设备系统的硬件/软件堆栈/连接的示例,用于图形渲染加速,直接在 PCIe层上运行;
图7为根据本发明实施例的连接了多个Type-1或Type-2设备系统中硬件/软件堆栈/连接的示例,用于图形渲染加速,位于NVMe+PCIe层之上;
图8为根据本发明实施例的系统软件堆栈示意图,可直接在PCIe层上启用图形渲染加速;
图9为根据本发明实施例的系统软件堆栈示意图,用于在NVMe+PCIe层之上启用图形渲染加速;
图10为根据本发明实施例的在客户端执行GPU渲染的一种实现流程图,在主机处理器上运行。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例,对本发明进行详细说明如后。
本发明中说明书中对方法流程的描述及本发明说明书附图中流程图的步骤并非必须按步骤标号严格执行,方法步骤是可以改变执行顺序的。而且,可以省略某些步骤,将多个步骤合并为一个步骤执行,和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
在系统部署GPU的时候,将图形渲染加速器GPU安装到主机系统中的同时,涉及到硬件特定供应商驱动程序的安装、升级和维护。客户操作系统版本和GPU供应商驱动程序的演变,在客户端和GPU供应商方面产生了开发、维护和支持工作。
本发明公开的设备旨在通过将所有图形渲染硬件特定细节封装到本发明的 PCIe设备中来解决此类主机端驱动程序问题。这使得GPU驱动程序易于处理——实际的GPU驱动程序功能都位于本发明公开的嵌入式设备上,无需对主机运行的不同操作系统/内核进行繁杂的定制和调整。
如图1-图10所示,根据本发明实施例的图形渲染加速设备,将图形渲染硬件封装到图形渲染加速设备,连接图形渲染加速设备的主机系统免去主机驱动程序的安装,图形渲染加速设备具有PCIe接口或NVMe接口,图形渲染API 在PCIe层或NVMe+PCIe层上运行。
也就是说,本申请中的图形渲染加速设备无需在主机系统安装图形渲染加速设备的驱动程序。当图形渲染加速设备具有PCIe接口时,图像渲染API可以直接在PCIe层上运行;当图形渲染加速设备具有NVME接口时,图形渲染API 可以直接在NVMe+PCIe层上运行。
NVMe由于其高吞吐量、易于扩展,已经在存储行业被广泛应用于数据传输,现代硬件和操作系统均支持NVMe协议。本发明通过启用具有NVMe接口的图形渲染加速设备来克服图形渲染可扩展性问题,该接口最初是为SSD等存储设备定义的,并利用现有的基于NVMe的存储可扩展性解决方案。
根据本发明实施例的图形渲染加速设备,不需要硬件特定供应商驱动程序的安装、升级和维护,无需对主机运行的不同操作系统/内核进行繁杂的定制和调整。
根据本发明的一些实施例,对于具有PCIe接口的图形渲染加速设备,主机系统与图形渲染API之间通过PCIe预设命令和字段实现通信。
在本发明的一些实施例中,对于具有NVMe接口的图形渲染加速设备,主机系统与图形渲染API之间通过NVMe预设命令和字段实现通信。
下表示出了将主机系统与图形渲染加速模块和实例之间的通信定义为 NVMe供应商特定命令或字段的示例。
操作码 | 描述 | 命令名称 |
C1h | 分配和初始化实例 | Gpu-tunnel-Open |
C2h | 关闭实例 | Gpu-tunnel-Close |
C3h | 查询GPU渲染模块状态 | Gpu-tunnel-Query |
C4h | 重新配置实例 | Gpu-tunnel-Reconfigure |
83h | GPU写命令 | Gpu-tunnel-Write |
84h | GPU读命令 | Gpu-tunnel-Read |
根据本发明的一些实施例,图形渲染加速设备集成有视频编解功能的视频编解码器。
需要说明的是,传统GPU难以实现高密度图形渲染+视频编解码功能(许多基于云的游戏和视频服务都需要)。虽然可以借助SRIOV GPU虚拟化,其可扩展性还是受到硬件支持的虚拟功能和系统PCIe插槽数量的限制。
在本发明的一些实施例中,图形渲染设备结构尺寸采用PCIe或SSD外形尺寸。
需要说明的是,在NVMe层之上,对于垂直扩展,即在现有计算机内部进行扩展,本发明的设备具有最初为SSD等存储设备定义的NVMe接口,以及SSD的外形尺寸,因此可以适合具有大量存储服务器的存储服务器NVMe SSD 驱动器托架。
根据本发明的一些实施例,图形渲染设备通过NVMe-over-fabrics连接至主机系统。
需要说明的是,在NVMe层之上,对于水平缩放,即在计算机外部进行缩放,本发明的设备可以配备在存储设备中,例如NVMe JBOF,这些设备通过 PCIe延长电缆或NVMe-over-fabrics接口与主机连接。
在本发明的一些实施例中,图形渲染加速设备包括多个图形渲染模块,每个图形渲染模块承载多个图形渲染实例。
根据本发明实施例的图形渲染加速系统,图形渲染加速系统包括:主机系统和多个如上所述的图形渲染加速设备,多个图形渲染加速设备通过 NVMe-over-fabrics连接至主机系统。
根据本发明实施例的图形渲染加速方法,图形渲染加速设备采用如上所述的图形渲染加速设备进行图形渲染加速,方法包括:
S100,将图形渲染API调用和数据打包成目标格式,通过PCIe总线转发到运行在PCIe上的图形渲染设备进行渲染处理;
S200,将完成渲染处理后的数据发送回主机系统。
根据本发明的一些实施例,当图形渲染加速设备集成有视频编解功能的视频编解码器时,方法还包括:
S150,将完成渲染处理后的数据发送至视频编解码器进行视频编解码处理。
本发明具有如下有益效果:
图形渲染设备不需要硬件特定供应商驱动程序的安装、升级和维护,无需对主机运行的不同操作系统/内核进行繁杂的定制和调整。而且,图形渲染设备可以集成视频编解码功能。另外,通过NVMe-over-fabrics可以连接多个图像渲染加速设备,便于扩展图形渲染加速处理设备,提升图形渲染处理性能。
下面参照附图详细描述根据本发明的图形渲染加速设备、系统及方法。值得理解的是,下述描述仅是示例性描述,而不应理解为对本发明的具体限制。
本发明提供了一种新形式的图形渲染加速设备,具有图形渲染功能,并且可选地,具有视频编码功能。
本发明通过PCIe总线与主机连接,图形API调用序列转发给PCIe图形加速器处理,无需主机端安装硬件专用图形驱动程序。
本发明的设备可以具有在主机处理器上运行的图形渲染客户端/应用程序,以通过标准图形API层,通过进行OpenGL/GLES/DirectX/Vulkan调用来利用图形渲染能力。本发明的设备将收集主处理器上的图形渲染API调用和数据,将它们打包成目标格式,并通过PCI Express总线将这些API调用转发到 PCIe设备上的渲染堆栈(如图6所示)。
另一种实现的方法,本发明公开的设备通过PCIe总线连接到主机,在 NVMe协议层之上,以实现图形API转发目的,这提供了更好的互操作性,因为NVMe通用驱动程序嵌入在大多数操作系统中,用于内核模式操作(见图7)。
设备可以主要是嵌入式图形渲染系统。这种设备将被称为Type-1设备。最常见的目标用例如图形渲染加速,渲染的帧被发送回运行应用程序的主机处理器。
设备还可以具有视频编解码器+图形渲染加速功能。这种设备将被称为 Type-2Device。最常见的目标用例可能是云游戏、无线VR和/或虚拟桌面基础设施(VDI),其渲染+视频编码后的内容通过网络发送给远程最终用户,在视频播放器中显示。
设备具有可以安装到标准PC系统中的标准PCIe设备形态(PCI标准或薄型,单插槽或多插槽)。也可以具有SSD的形状因子,因此可以安装到具有SSD 驱动器托架的计算机或服务器中。
当在NVMe层上运行时,该设备还可以装入NVMe JBOF(Just a Bunch of Flash)等NVMe存储系统,然后通过PCI延长线或NVMe over Fabrics接口连接到主机。有了这个接口和外形,在计算机系统中扩展图形渲染加速能力就像向存储服务器或存储系统添加存储能力一样简单。使用本发明的设备,图形渲染加速可以实现非常高的密度。
当在NVMe层上运行时,使用本发明的设备,无需安装特殊或专有的内核模式驱动程序即可将图形渲染支持添加到具有操作系统的现有计算机。主机通过NVMe的供应商特定命令或常规NVMe命令的供应商特定字段与设备中的图形渲染功能进行通信。
图1示出了Type-1设备的一种实现的内部结构。该设备主要是一个GPU加速器,具有标准PCIe接口。该设备具有多个图形渲染模块,每个模块可以承载多个图形渲染实例。PCIe层上的图形API隧道允许供应商特定的字段或命令承载图形API调用序列。在此实现中,供应商特定的字段和命令用于启用主机与图形渲染模块和实例之间的通信。
图2示出了NVMe层上的Type-1设备的一种实现的内部结构。该设备主要是一个GPU加速器,采用NVMe外形和传输协议。与传统的NVMe SSD 一样,该设备具有NVMe接口,但没有NAND存储闪存。
此外,该设备具有多个图形渲染模块,每个模块可以承载多个图形渲染实例。NVMe接口由NVM express标准定义,通过PCIe总线提供主机的NVMe 驱动程序和设备上的图形固件之间的通信协议。NVMe协议允许供应商特定的字段或命令。在此实现中,NVMe供应商特定的字段和命令用于启用主机与图形渲染模块和实例之间的通信。
图3显示了Type-2设备的内部结构。该设备具有图形渲染加速器和视频编解码器。它有一个PCIe接口和几个图形渲染模块,以及几个视频编解码器模块。它使用PCIe协议进行主机和设备通信。图形渲染加速命令是打包的标准图形API调用,渲染完成后发送到视频编解码模块进行进一步编码。
图4显示了通过NVMe连接的Type-2设备的内部结构。该设备具有图形渲染加速器和视频编解码器。它有一个NVMe接口和几个图形渲染模块,以及几个视频编解码器模块。它具有NVMe接口并使用NVMe协议进行主机和设备通信。图形渲染加速命令是打包的标准图形API调用,渲染完成后发送到视频编解码模块进行进一步编码。
图5显示了包含多个Type-1和Type-2设备的NVMe JBOF。这些JBOF是现有的NVMe存储服务器,每个存储服务器都有NVM-oF(NVMe-over-fabrics) 目标驱动程序,与主机上的NVMe-oF主机驱动程序进行对话。NVM-oF目标驱动与NVMe驱动对话,后者通过PCIe开关与一堆Type-1或Type-2设备对话。这种系统配置允许水平缩放或横向扩展图形渲染以及视频编解码器功能。即通过现有的NVMe存储服务器实现高密度图像渲染+视频编码功能。
图6示出了软件/硬件栈/连接的一种实现,它在目标操作系统上提供图形渲染加速+视频编码功能,非常适合云游戏场景。标准图形API层直接运行在PCIe 层之上。
图7示出了在目标操作系统上提供图形渲染加速+视频编码功能的软件/硬件堆栈/连接的一种实现。图形API层运行在NVMe+PCIe层之上。
图8示出了主机处理器上的软件栈组合,以通过PCIe层启用图形渲染加速功能,实际的API解释和渲染发生在公开的目标设备(Type-1或Type-2)上。
图9示出了主机处理器上的软件堆栈组合,以通过NVMe+PCIe层启用图形渲染加速功能,实际的API解释和渲染发生在公开的目标设备(Type-或 Type-2)上。
图10示出了通过PCIe隧道实现图形渲染的一种实现的流程图,以及如何收集客户端应用程序图形API调用并将其传送到所公开设备上的渲染节点。
综上所述,本发明图形渲染设备不需要硬件特定供应商驱动程序的安装、升级和维护,无需对主机运行的不同操作系统/内核进行繁杂的定制和调整。而且,图形渲染设备可以集成视频编解码功能。另外,通过NVMe-over-fabrics可以连接多个图像渲染加速设备,便于扩展图形渲染加速处理设备,提升图形渲染处理性能。
通过具体实施方式的说明,应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解,然而所附图示仅是提供参考与说明之用,并非用来对本发明加以限制。
Claims (10)
1.一种图形渲染加速设备,其特征在于,将图形渲染硬件封装到所述图形渲染加速设备,连接所述图形渲染加速设备的主机系统免去主机驱动程序的安装,所述图形渲染加速设备具有PCIe接口或NVMe接口,图形渲染API在PCIe层或NVMe+PCIe层上运行。
2.根据权利要求1所述的图形渲染加速设备,其特征在于,对于具有PCIe接口的所述图形渲染加速设备,所述主机系统与所述图形渲染API之间通过PCIe预设命令和字段实现通信。
3.根据权利要求1所述的图形渲染加速设备,其特征在于,对于具有NVMe接口的所述图形渲染加速设备,所述主机系统与所述图形渲染API之间通过NVMe预设命令和字段实现通信。
4.根据权利要求1所述的图形渲染加速设备,其特征在于,所述图形渲染加速设备集成有视频编解功能的视频编解码器。
5.根据权利要求4所述的图形渲染加速设备,其特征在于,所述图形渲染设备结构尺寸采用PCIe或SSD外形尺寸。
6.根据权利要求1所述的图形渲染加速设备,其特征在于,所述图形渲染设备通过NVMe-over-fabrics连接至主机系统。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的图形渲染加速设备,其特征在于,所述图形渲染加速设备包括多个图形渲染模块,每个所述图形渲染模块承载多个图形渲染实例。
8.一种图形渲染加速系统,其特征在于,所述图形渲染加速系统包括:
主机系统;
多个如权利要求1-7中任一项所述的图形渲染加速设备,多个所述图形渲染加速设备通过NVMe-over-fabrics连接至所述主机系统。
9.一种图形渲染加速方法,其特征在于,所述图形渲染加速设备采用如权利要求1-7中任一项所述的图形渲染加速设备进行图形渲染加速,所述方法包括:
将图形渲染API调用和数据打包成目标格式,通过PCIe总线转发到运行在PCIe上的图形渲染设备进行渲染处理;
将完成渲染处理后的数据发送回主机系统。
10.根据权利要求9所述的图形渲染加速方法,其特征在于,当所述图形渲染加速设备集成有视频编解功能的视频编解码器时,所述方法还包括:
将完成渲染处理后的数据发送至所述视频编解码器进行视频编解码处理。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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