Arm Mobile Studio 2023.5 推出 Frame Advisor

在 Arm® Mobile Studio 2023.5 的版本中伴随了 Frame Advisor 首个版本的推出，Frame Advisor 是一款基于帧的全新性能分析工具，有助于优化 Arm Immortalis™ 和 Mali™ GPU 的渲染工作负载。Frame Advisor 旨在提供性能反馈和最佳实践建议，其结果会自动与应用所提交的特定 API 可见工作负载相关联。如此一来，将减少解读硬件原始数据的工作量，从而简化应用优化的过程。

Frame Advisor 1.0 为早期访问版本，支持的功能集有限，主要侧重渲染通道的高效使用和几何图形资产的高效编码。这是应用 API 的两大关键使用场景，对 Arm GPU 的渲染效率非常重要。我们计划添加更多分析功能，从而涵盖绘制状态和着色器反馈等 API 特性。

推出 Frame Advisor 的缘由

Arm GPU 使用基于图块的渲染来处理渲染通道。也就是说每次渲染都要先处理几何图形，然后将图元分配到其所覆盖的屏幕空间小图块上。几何图形处理结束后，这些小图块会经过片段着色，随后才会被写入内存。

此方法的优势在于这些图块小到足以存储在 GPU 内部的本地 RAM 中，于是便能将片段着色的工作集保留在芯片上，而无需使用高能耗的外部 DRAM 带宽。不过，这种处理方式增加了特征分析的难度。

在使用基于图块的渲染时，每次绘制调用的处理工作量都会被分割成小块，并与其他绘制调用交错执行。此外，渲染通道通常采用管线化方式，并与其他并行运行的渲染通道重叠。因此，如果只依赖硬件数据源，例如使用 Arm Streamline 采集基于时间的描述，就很难获得明确的建议。硬件计数器可以让我们发现问题，但我们不一定能清楚该问题来自应用程序的哪个部分。Frame Advisor 就是要填补这个空白，提供与 API 相关的建议。

Frame Advisor 能提供哪些见解？

Frame Advisor 是一款深度分析器，能让我们清楚特定帧运行缓慢的原因。它可在使用 Streamline 分析器或引擎内分析器等其他工具识别出慢速帧区域后派上用场。

Frame Advisor 可采集问题区域的那几帧游戏画面，包括这些帧的所有 API 调用记录和跨 API 边界的数据，以及这些帧的 GPU 输出记录。这有助于在工具分析过程中切实掌握工作负载情况以及 GPU 对这些负载的处理方式。信息采集过程会对应用性能产生影响，但采集和分析所需数据的过程仅需几秒钟。

渲染图形

渲染通道是图形帧的主干，高效利用渲染通道能够确保我们受益于 GPU 内部的高能效片上图块内存。如果渲染通道未能充分利用基于图块的渲染，就难以节省内存带宽，从而导致性能下降。

那么我们该如何判断渲染通道有没有得到高效处理呢？Frame Advisor 在采集帧时，会将该帧的渲染过程可视化，这可以帮助我们发现问题。

该工具可在渲染图中展示为创建最终渲染帧而执行的渲染操作概况，包括帧中渲染通道之间的数据流，以及纹理等资源的产生和消耗过程。这可以帮助我们了解数据在渲染通道之间的流动效率，从而发现实现优化的机会。

渲染图中，每个渲染通道都被表示为一个方框，输入和输出套接字包含在各个附件中。渲染开始时，输入附件会从 DRAM 读入图块内存。渲染结束后，输出附件会被写回 DRAM。访问这些内存的成本较高，应尽量避免。那我们如何才能做到这一点呢？

在进行任何绘制调用之前，渲染通道中的第一个命令应该清除任何输入附件或使之失效，除非我们有意将该附件作为该渲染通道的起点。这可以避免每次启动时从 DRAM 进行不必要的回读。同样，每个输出附件都必须作废，以避免存储到内存中。
此外，在渲染过程中，前一次渲染的输出附件可能会被读取为后一次渲染的输入附件，而中间并没有使用任何纹理。这些渲染通道可以合并为一个通道，以避免不必要地读写 DRAM。
当我们发现有些渲染通道没有在后续处理中被使用，就说明它们对最终渲染输出没有任何贡献，因而可将它们移除，以节省算力和带宽。

通常情况下，对渲染通道的构建方式进行上述调整可以显著提高性能，而无需对屏幕上的对象进行任何更改。除此之外，Frame Advisor 能让我们更细致地查看屏幕上正在渲染的内容，并了解渲染的效率，从而有助于节省算力。

发现多余的绘制调用

处理绘制调用需要占用大量 CPU 资源，因此必须确保高效使用，并减少多余调用的次数。Frame Advisor 可以让我们查看渲染通道中的所有绘制调用，并逐一检查是否为帧缓冲区带来了明显变化。

如此一来，我们就很容易发现低效的渲染，比如那些在视锥体之外或被其他物体遮挡的绘制操作，这些情况可以通过应用软件进行优化。我们也可以使用一系列软件剔除技术来防止类似事情发生。此外，还能轻松发现许多单独绘制的相同对象，这样就可以将它们合并为一次绘制。这些都是减少 CPU 和 GPU 计算量的简便方法。

通过逐步查看绘制调用并观察帧缓冲区输出的变化，我们可以轻松了解不透明几何体是否被高效渲染。不透明物体应以从前到后的顺序进行渲染，也就是从最靠近镜头的物体开始，向远处渲染。如果对象是从前到后渲染的，GPU 就可以使用 Early ZS 测试来识别，并丢弃隐藏在其他对象后面的三角形。这样就可以在片段着色前省去不必要的工作。

检查几何体的绘制是否高效

通常情况下，当角色在屏幕的远处时，复杂的角色网格会消耗过多带宽和算力。此时网格中的三角形会变得非常小，以致于会开始造成严重的性能问题，并且通常收效甚微，几乎不会带来明显的视觉改善效果。Frame Advisor 会显示每次绘制调用所绘制的图元数。此外，你还可以根据图元数量对渲染通道中的所有对象进行排序。因此，可以毫不费力地找到场景中最复杂的物体，并研究是否可以将其简化。

在模型无法简化的情况下，必须确保模型的绘制效率。Frame Advisor 中的指标详情视图列出了当前所选绘图调用的一系列实际指标，例如：

“顶点效率评估”表明未使用的顶点是否被着色，这可能是由于着色过度，或对象网格的位置不佳导致的，进而导致顶点被多次处理。
“索引率”表示网格中每个三角形使用了多少个唯一顶点。理想情况下，这个数值应该接近一，表明每个顶点都能被三个三角形高效复用。最糟糕的情况是三，这表明每个三角形都使用了三个唯一的顶点。
“重复顶点”的数量如果与模型中的另一个顶点完全相同，就表示算力被浪费了。