著色器編譯器 - XBOX Game Development Documentation

DirectX 著色器編譯器 (DXCompiler 或 DXC) 是適用於 Windows 與 XBOX 的新著色器編譯器。在 Windows 上，光線追蹤與其他新功能已經需要 DXC。今後，DXC 將是啟用許多其他新功能的受支援途徑，包括正在積極開發中之未來遊戲平台上提供的功能。我們將在未來的版本中新增更多 XBOX 內建函式、新的著色器模型支援，以及許多其他功能與效能改進。較舊的 D3D 著色器編譯器 (D3DCompiler 或 FXC) 已淘汰且不再受支援。

HLSL 2021

自 2023 年 10 月 GDK 起，DXC 預設使用 HLSL 2021 語言。HLSL 2021 新增了對各種 C++ 樣式功能的支援：

範本函式與結構
結構元素上的位元欄位
運算子多載
C++ 樣式的函式多載
純量的邏輯運算短路

如需詳細資訊，請參閱 HLSL 2021 與 HLSL 2021 移轉指南。若要使用先前的預設語言 HLSL 2018，請將 -HV 2018 傳遞給編譯器。 GitHub 上目前的問題清單位於 HLSL 2021 問題標籤底下。歡迎在 GitHub 上提出錯誤，或透過 AskHLSL@microsoft.com 與我們聯絡，提供意見反應與問題。

開發中

XBOX 的 DXC 目前正在積極開發中。我們將在未來的版本中新增簡化的編譯器 .dll 介面、更多 XBOX 內建函式、新的著色器模型支援，以及許多其他功能與效能改進。您可以透過 AskHLSL@microsoft.com 與小組聯絡。

著色器編譯器說明

使用 DXC：如何使用編譯器命令列介面 (dxc) 與 .dll 介面 (dxcompiler_x.dll)
FXC 至 DXC 移植指南：將著色器移植至 DXC 時的一些秘訣與技巧

XBOX 特有功能

XBOX 的 DXC 支援許多 Windows 上無法使用的特殊定義與內建函式。如需詳細資訊，請參閱下列內容：

預先編譯

在 XBOX 上，DXC 編譯器可以將 HLSL 一路編譯為 XBOX GPU 的最終指令集架構 (ISA) 指令。這可讓遊戲避免在執行階段從 DXIL 編譯為 ISA 指令的昂貴步驟。我們將此完整編譯步驟稱為「預先編譯」，因為它會離線 (在開發電腦上) 而非線上 (在 XBOX 主機上) 將著色器編譯為 ISA。有多種定義可用於控制預先編譯。在 XBOX 上，基本上有 3 種編譯著色器的方式。 A. 離線預先編譯並移除 DXIL (/D__XBOX_STRIP_DXIL=1)

+--------------+
| DXC (offline)|
+--------------+

HLSL -> DXIL  -> ISA
  |           |
  |           +
  +------> RootSig

+---------------+
| XBOX (runtime)|
+---------------+

ISA  -> Use ISA if valid, otherwise error
     ^
     |
     +
  RootSig

B. 離線預先編譯但不移除 DXIL (/D__XBOX_STRIP_DXIL=0)

+--------------+
| DXC (offline)|
+--------------+

HLSL ->  DXIL -> DXIL+ISA
  |           |
  |           +
  +------> RootSig

+---------------+
| XBOX (runtime)|
+---------------+

DXIL+ISA -> Use ISA if valid, otherwise recompile from DXIL
         |
         +
       RootSig

C. 離線且不預先編譯 (/D__XBOX_DISABLE_PRECOMPILE)

+--------------+
| DXC (offline)|
+--------------+

HLSL -> DXIL

+---------------+
| XBOX (runtime)|
+---------------+

DXIL  -> compile to ISA
      |
      +
    RootSig

在 PC 上您只有選項 C，但在 XBOX 上我們偏好選項 A，因為沒有執行階段負擔。PC 著色器編譯器針對即時 (JIT) 模式執行進行最佳化，因此可以快速編譯 DXIL -> ISA。在 XBOX 上，我們有一個較重量級的編譯器，因為我們預期大部分時間都是離線執行，可以花更長的時間來最佳化程式碼。

外部文件

您可以在 GitHub 上查看完整的原始碼，甚至參與新前端編譯器的開發：DirectXShaderCompiler。高階著色器語言 (HLSL) 的一般文件可在 Microsoft Docs 上找到：HLSL 參考。新編譯器與更進階著色器模型的文件現已位於 GitHub 上：DirectXShaderCompiler wiki。

XBOX 上的 DXC 與 Windows 上的 DXC 之間的差異

在 Windows 上，著色器會編譯為 DXIL，然後傳送至 GPU 驅動程式進行最終編譯。在 XBOX 上，由於目標 GPU 硬體是固定的，著色器預設會預先編譯，這讓我們可以在執行階段略過編譯階段。

若要在 XBOX 上編譯著色器，必須指定根簽章，讓編譯器能夠預先編譯著色器。如果著色器在執行階段與另一個根簽章搭配使用，就會發生執行階段編譯，這通常是不理想的。請注意，對於測試著色器或工具，您可以使用 __XBOX_DISABLE_PRECOMPILE 定義完全略過預先編譯，但不建議在一般執行階段使用。

XBOX 著色器模型功能支援

從著色器模型 6.0 開始，XBOX 對選用的著色器模型功能提供逐項支援。如果未使用任何不受支援的選用功能，您可以在 XBOX 上將著色器編譯為以任何著色器模型為目標。著色器模型功能的詳細資訊可在 GitHub 上找到。下表詳細說明 XBOX 上的著色器模型功能支援。

ShaderModel	功能	XBOX One 系列	XBOX Series 主機
6.0	Wave Intrinsics	部分 [1]	是
6.0	64-Bit Integers	是	是

6.1	SV_ViewID	否	否
6.1	SV_Barycentrics	自訂 [2]	是

6.2	16-Bit Scalar Types	否	是
6.2	Denorm Mode	否	否

6.3	DirectX12 Raytracing (DXR)	否	是

6.4	Packed Dot Product Intrinsics	否	是
6.4	Variable Rate Shading	否	是
6.4	Library Sub-objects	否	是

6.5	DXR 1.1	否	否 [3]
6.5	Sampler Feedback	否	是
6.5	Mesh Shader	否	是
6.5	Amplification Shader	否	是
6.5	WaveMatch Intrinsics	否	否
6.5	WaveMultiPrefix Intrinsics	否	否

6.6	New Atomic Operations	是	是
6.6	Dynamic Resources	是	是
6.6	IsHelperLane Intrinsic	是	是
6.6	Derivative Operations in CS, MS, AS	否	否
6.6	Pack and Unpack Intrinsics	否	否
6.6	WaveSize	否	否
6.6	Raytracing Payload Access Qualifiers	否	否 [4]

6.7	GatherRaw	否	否
6.7	SampleCmpLevel	否	否
6.7	Programmable Texture Offsets	否	否 [5]
6.7	Writable MSAA Textures	否	否 [6]
6.7	QuadAny/QuadAll	否	否
6.7	WaveOpsIncludeHelperLanes	否	否 [7]

[1] 如需支援的內建函式與類型清單，請參閱 XBOX Wave 內建函式。 [2] 對於 XBOX One 系列，我們無法依規格所規定的觸發頂點順序旋轉頂點來存取它們，因此會以硬體提供的順序傳回。這與現有 XBOX 重心座標內建函式的行為相符。 [3] 我們不支援 DXR 1.1 RayQuery 物件。不過，我們支援一種稱為內嵌周遊的 XBOX 特有技術，可用來取代 RayQuery 物件。 [4] 在 XBOX 上會忽略承載存取限定詞。在 XBOX Series X|S 上，著色器編譯器支援原生 16 位元類型，您可以使用編譯旗標 -enable-16bit-types 並將著色器模型版本設為 6.2 或更高來啟用。在 XBOX Series X|S 上，強烈建議盡可能使用原生 16 位元類型，而非最低精確度類型。在未來的版本中，將不再需要使用 -enable-16bit-types，因為原生 16 位元類型將預設啟用。 [5] 如果嘗試使用可程式化位移，會產生 ISA，但產生的程式碼不正確，且無法如預期運作。 [6] 此功能可透過 XB_Store HLSL 內建函式取得 [7] [WaveOpsIncludeHelperLanes] 屬性可以編譯，但 XBOX 編譯器目前會忽略它。

已知問題

如果您使用自訂配置器 (DxcCreateInstance2)，在卸載 dxcompiler .dll 之前，不得釋放自訂配置器。
如果著色器已序列化，且 .pdb 名稱與雜湊字串不相符，PIX 就無法自動找到 .pdb。未來我們將在 PIX 中新增一個選項，可在 PIX .pdb 搜尋路徑中的所有 .pdb 中搜尋相符的雜湊，而不論 .pdb 名稱為何。
DXIL 大小平均比 DXBC 大小更大。我們正在積極處理 DXIL 大小問題。
反映資料的大小將在未來的版本中大幅縮減。
使用 DXC 建立之著色器的 PIX HLSL 偵錯工具有許多問題。我們正在積極改善品質。
__XBOX_ENABLE_SIGNATURE_PACKING 目前僅適用於頂點著色器與像素著色器階段。
我們正在積極改善編譯時間效能與執行階段效能。如果您有特定著色器的編譯時間過長，或未符合您對執行階段效能的預期，請透過 AskHLSL@microsoft.com 寄送電子郵件給我們，或在 XBOX 論壇上與我們聯絡。

了解 GPU 編譯器階段與術語

GPU 編譯器由「前端」與「後端」組成：前端會將 HLSL 剖析為中繼語言，再由「後端」編譯器使用，後端編譯器會進行低階、機器特定的最佳化，並產生 GPU 機器碼。

Front end -> Intermediate Language -> Back end

我們舊的前端編譯器 (稱為 D3DCompiler 或 FXC) 與舊的中繼語言 (DXBC) 都已被以開放 Clang 與 LLVM 標準為基礎的新前端編譯器 (DXCompiler 或 DXC) 與新中繼語言 (DXIL) 取代。此外，在 XBOX 上，Microsoft 已從 “SC” 後端程式碼基底轉移至同樣以 LLVM 為基礎、名為 “NB” 的更新程式碼基底。隨著 GPU 程式碼的複雜度增加，我們需要轉移至更進階且更具彈性的技術。新的編譯器流程：

DXC -> DXIL -> NB

XBOX 編譯器上的 NGG 實作 (僅限 Scarlett)

NGG (Next Generation Geometry) 會略過 IA 硬體階段，可大幅提高基本圖形輸送量。控制 NGG 程式碼產生的其他旗標：

欄 1	欄 2
__XBOX_PRECOMPILE_NGG	此旗標會為已啟用的輸出階段啟用 NGG 著色器的預先編譯。目前 VS 是唯一支援自動 NGG 的階段。請注意，網格著色器會直接以 NGG 為目標。也必須在 CreatePSO 上使用 D3D12XBOX_PIPELINE_STATE_FLAG_VS_NGG，才能在驅動程式中啟用 NGG 著色器。
__XBOX_NGG_PASSTHROUGH	啟用 __XBOX_PRECOMPILE_NGG 旗標會自動插入剔除程式碼。您可以啟用「傳遞」著色器產生，在保留 NGG 功能的同時明確停用自動剔除。這對於已知不會剔除太多 (或錯失太多以著色器為基礎之剔除機會) 的大量頂點工作負載可能有有限的用途。

若要利用自動剔除，遊戲必須

從 VS 匯出寫入所有四個元件的 SV_Position 值。
將 D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC 中的 D3D12_RASTERIZER_DESC.CullMode 設為 D3D12_CULL_MODE_NONE 以外的值。

D3D12_RASTERIZER_DESC.FrontCounterClockwise 的值會在執行階段讀取，以判斷頂點環繞順序。目前會執行下列類型的剔除：

背面剔除
零面積三角形剔除
檢視範圍剔除

以下是自動剔除函式的 HLSL 實作。

    bool CullTriangle(
        float4 posH_0, float4 posH_1, float4 posH_2,
        bool cullBackFace, bool backFaceOrderCW )
    {
        // Test that all points are in front of the camera. W is usually a linear distance in the forward axis. Negative W
        // values are problematic because they invert all the following tests. It's better to cull now and assume positive values.
        float maxW = max(max(posH_0.w, posH_1.w), posH_2.w);
        bool negativeWCull = maxW <= 0.0f;
        if (negativeWCull)
            return true;
        
        // If some of the W values are negative, the triangle straddles the W=0 plane creating an inversion. Let the triangle
        // clipper sort it out. It's not worth the ALU.
        float minW = min(min(posH_0.w, posH_1.w), posH_2.w);
        bool nearPlaneClip = minW <= 0.0f;
        if (nearPlaneClip)
            return false;
    
        // To be correct, we need to fix the order of the vertices provided, know which direction should be culled (or not)
        // and adjust the sign of the test appropriately. A zero determinant should always cull because it has zero-area.
        float discriminant = determinant(float3x3(posH_0.xyw, posH_1.xyw, posH_2.xyw));
        discriminant = backFaceOrderCW ? +discriminant : -discriminant;
        bool isBackFaceOrZeroArea = discriminant <= 0.0f;
        if (cullBackFace && isBackFaceOrZeroArea)
            return true;
        
        bool cullLeft   = (posH_0.x < -posH_0.w) && (posH_1.x < -posH_1.w) && (posH_2.x < -posH_2.w);
        bool cullRight  = (posH_0.x > +posH_0.w) && (posH_1.x > +posH_1.w) && (posH_2.x > +posH_2.w);
        bool cullBottom = (posH_0.y < -posH_0.w) && (posH_1.y < -posH_1.w) && (posH_2.y < -posH_2.w);
        bool cullTop    = (posH_0.y > +posH_0.w) && (posH_1.y > +posH_1.w) && (posH_2.y > +posH_2.w);
        
        if (cullLeft || cullRight || cullBottom || cullTop)
            return true;
    
        return false;
    }

啟用 NGG 的效益

雖然最終目標是預設啟用 NGG 剔除，但目前只有在少數 (一或多個) 已知情況下才有效益。這些情況包括：

硬體的瓶頸在於基本圖形處理 (每個時脈 4 個基本圖形)
繪製具有蛇形網格的高頂點/基本圖形數量 (以產生長串的背面頂點)，使得長串的頂點被剔除。
大量只對屬性有貢獻的記憶體存取
大量的屬性匯出

這一切都基於一項假設：被剔除的基本圖形數量足夠多，足以觸及上述任一情境。全螢幕繪製、世界幾何以及引擎中既有的剔除，都會降低此功能的價值。如果工作負載的瓶頸已經在於像素速率，NGG 剔除也不會帶來好處。

未來的改進

這是初始版本，將隨著時間改進。計劃中的改進包括

調整執行緒群組大小。NGG 剔除需要配置 LDS。較大的執行緒群組大小會因 LDS 配置限制而限制已編譯著色器的佔用率。
在整個執行緒群組都被剔除時啟用提前結束。
非內插屬性的每個基本圖形匯出。
新增啟發學習法，在能以靜態方式判斷無效益時關閉剔除。範例：
1. 剔除前與剔除後著色器區段中的重複指令 (由於位置與屬性匯出之間的共用)。
2. Position.Z 為 0——可能不會被剔除的平面 (2D) 三角形。
3. 小型子群組略過。
4. 其他次要最佳化。

我們也在考慮新增對使用者定義剔除函式的支援，讓編譯器在為 NGG 編譯時可以呼叫這些函式。請試用並提供意見反應。

另請參閱

XBOX 主機遊戲開發 (環境與工具)

​HLSL 2021

​開發中

​著色器編譯器說明

​XBOX 特有功能

​預先編譯

​外部文件

​XBOX 上的 DXC 與 Windows 上的 DXC 之間的差異

​XBOX 著色器模型功能支援

​已知問題

​了解 GPU 編譯器階段與術語

​XBOX 編譯器上的 NGG 實作 (僅限 Scarlett)

​啟用 NGG 的效益

​未來的改進

​另請參閱

HLSL 2021

開發中

著色器編譯器說明

XBOX 特有功能

預先編譯

外部文件

XBOX 上的 DXC 與 Windows 上的 DXC 之間的差異

XBOX 著色器模型功能支援

已知問題

了解 GPU 編譯器階段與術語

XBOX 編譯器上的 NGG 實作 (僅限 Scarlett)

啟用 NGG 的效益

未來的改進

另請參閱