剖析Apple M1 GPU，第一部分

苹果最新的Mac系列包括其内部的“ M1”片上系统，该系统具有定制GPU。这对于希望在我们的设备上运行Linux的Asahi Linux项目中的我们来说是一个问题，因为此自定义Apple GPU既没有公共文档也没有开源驱动程序。一些人推测它可能来自旧款iPhone中使用的PowerVR GPU，而另一些人则认为GPU是完全定制的。但是，当我们自己窥视内部时，谣言和猜测就不好玩了！

几周前，我购买了带有M1 GPU的Mac Mini作为开发目标，以研究指令集和命令流，以前所未有的水平了解GPU的体系结构，并最终加快Mesa驱动程序的开发用于硬件。今天，我已经达到了自己的第一个里程碑：我现在已经了解了足够的指令集，可以使用免费的开放源代码工具链（在GitHub此处发布）分解简单的着色器。

解码GPU的指令集和命令流的过程与我在Panfrost项目中对Mali GPU进行反向工程所使用的过程相似，该过程最初是由Lima，Freedreno和Nouveau自由软件驱动程序项目率先开发的。通常，对于Linux或Android驱动程序进行逆向工程，将编写一个小型包装库，以通过LD_PRELOAD注入到测试应用程序中，该应用程序挂接ioctl和mmap之类的关键系统调用，以便分析用户内核交互。发出“提交命令缓冲区”调用后，库可以转储所有（映射的）共享内存以进行脱机分析。

M1可以使用相同的整体过程，但是需要翻译一些macOSism。首先，在macOS上没有LD_PRELOAD；等效项是DYLD_INSERT_LIBRARIES，它具有一些额外的安全功能，可以轻松地将其关闭以达到我们的目的。其次，尽管标准的Linux / BSD系统调用确实存在于macOS上，但它们并不用于图形驱动程序。相反，苹果自己的IOKit框架用于内核和用户空间驱动程序，其关键入口点是IOConnectCallMethod（与ioctl类似）。这些差异很容易被掩盖，但是它们确实与标准Linux工具增加了一层距离。

更大的问题是将自己定位在IOKit世界中。由于Linux具有copyleft许可证，因此（合法）内核驱动程序是开源的，因此ioctl接口是公共的，尽管特定于供应商。受许可的macOS内核（XNU）不承担任何此类义务；内核接口是专有的且未记录。即使在包装完IOConnectCallMethod之后，也需要花些时间来确定三个关键调用：内存分配，命令缓冲区创建和命令缓冲区提交。包装分配和创建调用对于跟踪GPU可见内存（我们感兴趣的研究对象）是必不可少的，包装提交调用对于计时内存转储至关重要。

清除这些障碍之后，我们终于可以使用着色器二进制文件，即黑盒子。但是，从头到尾的过程是标准的：从最简单的片段或计算着色器开始，对输入源代码进行少量更改，然后比较输出二进制文件。重复此过程很繁琐，但是会很快揭示出关键结构，包括操作码编号。

自由软件反汇编器中记录的过程发现证实了GPU的许多特性：

一个，这是一个标量体系结构。与某些32位标量但16位矢量化的GPU不同，M1的GPU在所有位大小下都是标量。然而，Metal优化资源暗示16位算术应该大大加快，而且减少了寄存器使用量，从而导致更高的线程数（占用量）。这表明硬件是超标量的，与32位ALU相比，具有更多的16位ALU，从而使该部件比其他芯片更能受益于低精度图形着色器，同时消除了编译器的大量复杂性。

第二，这似乎可以处理硬件的调度，这在台式机GPU中很常见，但在嵌入式空间中则较少。这又使编译器更简单，但硬件更多。指令似乎具有最小的编码开销，这与其他体系结构不同，后者需要使用nop填充指令以适应高度受限的指令集。

三，支持各种修饰符。浮点ALU可以“免费”进行钳位（饱和），取反和绝对值修改器，这是常见的着色器体系结构特征。此外，大多数（全部？）指令都可以在目标和源上“免费”在16位和32位之间进行类型转换，从而使编译器在使用16位操作时更具攻击性，而不会冒转换风险间接费用。在整数方面，某些指令可免费使用各种按位补码和移位。这些都不是Apple设计所独有的，但值得一提。

最后，并非所有的ALU指令都具有相同的时序。避免使用像imad这样的指令来将两个整数相乘并加上第三个整数，而尽可能使用重复的iadd整数加法指令。这也暗示了超标量体系结构。像我日常工作一样，由软件计划的设计无法利用流水线长度上的差异，无意中降低了简单指令的速度，以适应复杂指令的速度。

从我以前使用GPU的经验来看，我继续期望在指令集中发现一些等待着编译的复杂性的eldritch恐怖。尽管上述工作目前仅覆盖指令集的一小部分表面积，但到目前为止，一切似乎都还不错。没有复杂的优化技巧，但要消除这种技巧，就可以创建一种精简而有效的设计，该设计可以一劳永逸。也许苹果的硬件工程师发现很难克服简单性。

las，没有开放源代码的用户空间驱动程序，着色器工具链就没什么用了。下一步：剖析命令流！

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