6a70bf3d7e9b3cd31e0411fd5888bccf8d38d59d
[platform/upstream/mesa.git] / docs / isl / tiling.rst
1 Tiling
2 ======
3
4 The naive view of an image in memory is that the pixels are stored one after
5 another in memory usually in an X-major order.  An image that is arranged in
6 this way is called "linear".  Linear images, while easy to reason about, can
7 have very bad cache locality.  Graphics operations tend to act on pixels that
8 are close together in 2-D euclidean space.  If you move one pixel to the right
9 or left in a linear image, you only move a few bytes to one side or the other
10 in memory.  However, if you move one pixel up or down you can end up kilobytes
11 or even megabytes away.
12
13 Tiling (sometimes referred to as swizzling) is a method of re-arranging the
14 pixels of a surface so that pixels which are close in 2-D euclidean space are
15 likely to be close in memory.
16
17 Basics
18 ------
19
20 The basic idea of a tiled image is that the image is first divided into
21 two-dimensional blocks or tiles.  Each tile takes up a chunk of contiguous
22 memory and the tiles are arranged like pixels in linear surface.  This is best
23 demonstrated with a specific example. Suppose we have a RGBA8888 X-tiled
24 surface on Intel graphics.  Then the surface is divided into 128x8 pixel tiles
25 each of which is 4KB of memory.  Within each tile, the pixels are laid out like
26 a 128x8 linear image.  The tiles themselves are laid out row-major in memory
27 like giant pixels.  This means that, as long as you don't leave your 128x8
28 tile, you can move in both dimensions without leaving the same 4K page in
29 memory.
30
31 .. image:: tiling-basic.svg
32    :alt: Example of an X-tiled image
33
34 You can, however do even better than this.  Suppose that same image is,
35 instead, Y-tiled.  Then the surface is divided into 32x32 pixel tiles each of
36 which is 4KB of memory.  Within a tile, each 64B cache line corresponds to 4x4
37 pixel region of the image (you can think of it as a tile within a tile).  This
38 means that very small deviations don't even leave the cache line.  This added
39 bit of pixel shuffling is known to have a substantial performance impact in
40 most real-world applications.
41
42 Intel graphics has several different tiling formats that we'll discuss in
43 detail in later sections.  The most commonly used as of the writing of this
44 chapter is Y-tiling.  In all tiling formats the basic principal is the same:
45 The image is divided into tiles of a particular size and, within those tiles,
46 the data is re-arranged (or swizzled) based on a particular pattern.  A tile
47 size will always be specified in bytes by rows and the actual X-dimension of
48 the tile in elements depends on the size of the element in bytes.
49
50 Bit-6 Swizzling
51 ^^^^^^^^^^^^^^^
52
53 On some older hardware, there is an additional address swizzle that is applied
54 on top of the tiling format.  This has been removed starting with Broadwell
55 because, as it says in the Broadwell PRM Vol 5 "Tiling Algorithm" (p. 17):
56
57    Address Swizzling for Tiled-Surfaces is no longer used because the main
58    memory controller has a more effective address swizzling algorithm.
59
60 Whether or not swizzling is enabled depends on the memory configuration of the
61 system.  Generally, systems with dual-channel RAM have swizzling enabled and
62 single-channel do not.  Supposedly, this swizzling allows for better balancing
63 between the two memory channels and increases performance. Because it depends
64 on the memory configuration which may change from one boot to the next, it
65 requires a run-time check.
66
67 The best documentation for bit-6 swizzling can be found in the Haswell PRM Vol.
68 5 "Memory Views" in the section entitled "Address Swizzling for Tiled-Y
69 Surfaces".  It exists on older platforms but the docs get progressively worse
70 the further you go back.
71
72 ISL Representation
73 ------------------
74
75 The structure of any given tiling format is represented by ISL using the
76 :cpp:enum:`isl_tiling` enum and the :cpp:struct:`isl_tile_info` structure:
77
78 .. doxygenenum:: isl_tiling
79
80 .. doxygenfunction:: isl_tiling_get_info
81
82 .. doxygenstruct:: isl_tile_info
83    :members:
84
85 The `isl_tile_info` structure has two different sizes for a tile: a logical
86 size in surface elements and a physical size in bytes.  In order to determine
87 the proper logical size, the bits-per-block of the underlying format has to be
88 passed into `isl_tiling_get_info`. The proper way to compute the size of an
89 image in bytes given a width and height in elements is as follows:
90
91 .. code-block:: c
92
93    uint32_t width_tl = DIV_ROUND_UP(width_el * (format_bpb / tile_info.format_bpb),
94                                     tile_info.logical_extent_el.w);
95    uint32_t height_tl = DIV_ROUND_UP(height_el, tile_info.logical_extent_el.h);
96    uint32_t row_pitch = width_tl * tile_info.phys_extent_el.w;
97    uint32_t size = height_tl * tile_info.phys_extent_el.h * row_pitch;
98
99 It is very important to note that there is no direct conversion between
100 :cpp:member:`isl_tile_info::logical_extent_el` and
101 :cpp:member:`isl_tile_info::phys_extent_B`.  It is tempting to assume that the
102 logical and physical heights are the same and simply divide the width of
103 :cpp:member:`isl_tile_info::phys_extent_B` by the size of the format (which is
104 what the PRM does) to get :cpp:member:`isl_tile_info::logical_extent_el` but
105 this is not at all correct. Some tiling formats have logical and physical
106 heights that differ and so no such calculation will work in general.  The
107 easiest case study for this is W-tiling. From the Sky Lake PRM Vol. 2d,
108 "RENDER_SURFACE_STATE" (p. 427):
109
110    If the surface is a stencil buffer (and thus has Tile Mode set to
111    TILEMODE_WMAJOR), the pitch must be set to 2x the value computed based on
112    width, as the stencil buffer is stored with two rows interleaved.
113
114 What does this mean?  Why are we multiplying the pitch by two?  What does it
115 mean that "the stencil buffer is stored with two rows interleaved"?  The
116 explanation for all these questions is that a W-tile (which is only used for
117 stencil) has a logical size of 64el x 64el but a physical size of 128B
118 x 32rows.  In memory, a W-tile has the same footprint as a Y-tile (128B
119 x 32rows) but every pair of rows in the stencil buffer is interleaved into
120 a single row of bytes yielding a two-dimensional area of 64el x 64el.  You can
121 consider this as its own tiling format or as a modification of Y-tiling.  The
122 interpretation in the PRMs vary by hardware generation; on Sandy Bridge they
123 simply said it was Y-tiled but by Sky Lake there is almost no mention of
124 Y-tiling in connection with stencil buffers and they are always W-tiled. This
125 mismatch between logical and physical tile sizes are also relevant for
126 hierarchical depth buffers as well as single-channel MCS and CCS buffers.
127
128 X-tiling
129 --------
130
131 The simplest tiling format available on Intel graphics (which has been
132 available since gen4) is X-tiling.  An X-tile is 512B x 8rows and, within the
133 tile, the data is arranged in an X-major linear fashion.  You can also look at
134 X-tiling as being an 8x8 cache line grid where the cache lines are arranged
135 X-major as follows:
136
137 ===== ===== ===== ===== ===== ===== ===== =====
138 ===== ===== ===== ===== ===== ===== ===== =====
139 0x000 0x040 0x080 0x0c0 0x100 0x140 0x180 0x1c0
140 0x200 0x240 0x280 0x2c0 0x300 0x340 0x380 0x3c0
141 0x400 0x440 0x480 0x4c0 0x500 0x540 0x580 0x5c0
142 0x600 0x640 0x680 0x6c0 0x700 0x740 0x780 0x7c0
143 0x800 0x840 0x880 0x8c0 0x900 0x940 0x980 0x9c0
144 0xa00 0xa40 0xa80 0xac0 0xb00 0xb40 0xb80 0xbc0
145 0xc00 0xc40 0xc80 0xcc0 0xd00 0xd40 0xd80 0xdc0
146 0xe00 0xe40 0xe80 0xec0 0xf00 0xf40 0xf80 0xfc0
147 ===== ===== ===== ===== ===== ===== ===== =====
148
149 Each cache line represents a piece of a single row of pixels within the image.
150 The memory locations of two vertically adjacent pixels within the same X-tile
151 always differs by 512B or 8 cache lines.
152
153 As mentioned above, X-tiling is slower than Y-tiling (though still faster than
154 linear).  However, until Sky Lake, the display scan-out hardware could only do
155 X-tiling so we have historically used X-tiling for all window-system buffers
156 (because X or a Wayland compositor may want to put it in a plane).
157
158 Bit-6 Swizzling
159 ^^^^^^^^^^^^^^^
160
161 When bit-6 swizzling is enabled, bits 9 and 10 are XORed in with bit 6 of the
162 tiled address:
163
164 .. code-block:: c
165
166    addr[6] ^= addr[9] ^ addr[10];
167
168 Y-tiling
169 --------
170
171 The Y-tiling format, also available since gen4, is substantially different from
172 X-tiling and performs much better in practice.  Each Y-tile is an 8x8 grid of cache lines arranged Y-major as follows:
173
174 ===== ===== ===== ===== ===== ===== ===== =====
175 ===== ===== ===== ===== ===== ===== ===== =====
176 0x000 0x200 0x400 0x600 0x800 0xa00 0xc00 0xe00
177 0x040 0x240 0x440 0x640 0x840 0xa40 0xc40 0xe40
178 0x080 0x280 0x480 0x680 0x880 0xa80 0xc80 0xe80
179 0x0c0 0x2c0 0x4c0 0x6c0 0x8c0 0xac0 0xcc0 0xec0
180 0x100 0x300 0x500 0x700 0x900 0xb00 0xd00 0xf00
181 0x140 0x340 0x540 0x740 0x940 0xb40 0xd40 0xf40
182 0x180 0x380 0x580 0x780 0x980 0xb80 0xd80 0xf80
183 0x1c0 0x3c0 0x5c0 0x7c0 0x9c0 0xbc0 0xdc0 0xfc0
184 ===== ===== ===== ===== ===== ===== ===== =====
185
186 Each 64B cache line within the tile is laid out as 4 rows of 16B each:
187
188 ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====
189 ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====
190 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0c 0x0d 0x0e 0x0f
191 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x16 0x17 0x18 0x19 0x1a 0x1b 0x1c 0x1d 0x1e 0x1f
192 0x20 0x21 0x22 0x23 0x24 0x25 0x26 0x27 0x28 0x29 0x2a 0x2b 0x2c 0x2d 0x2e 0x2f
193 0x30 0x31 0x32 0x33 0x34 0x35 0x36 0x37 0x38 0x39 0x3a 0x3b 0x3c 0x3d 0x3e 0x3f
194 ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====
195
196 Y-tiling is widely regarded as being substantially faster than X-tiling so it
197 is generally preferred.  However, prior to Sky Lake, Y-tiling was not available
198 for scanout so X tiling was used for any sort of window-system buffers.
199 Starting with Sky Lake, we can scan out from Y-tiled buffers.
200
201 Bit-6 Swizzling
202 ^^^^^^^^^^^^^^^
203
204 When bit-6 swizzling is enabled, bit 9 is XORed in with bit 6 of the tiled
205 address:
206
207 .. code-block:: c
208
209    addr[6] ^= addr[9];
210
211 W-tiling
212 --------
213
214 W-tiling is a new tiling format added on Sandy Bridge for use in stencil
215 buffers.  W-tiling is similar to Y-tiling in that it's arranged as an 8x8
216 Y-major grid of cache lines.  The bytes within each cache line are arranged as
217 follows:
218
219 ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====
220 ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====
221 0x00 0x01 0x04 0x05 0x10 0x11 0x14 0x15
222 0x02 0x03 0x06 0x07 0x12 0x13 0x16 0x17
223 0x08 0x09 0x0c 0x0d 0x18 0x19 0x1c 0x1d
224 0x0a 0x0b 0x0e 0x0f 0x1a 0x1b 0x1e 0x1f
225 0x20 0x21 0x24 0x25 0x30 0x31 0x34 0x35
226 0x22 0x23 0x26 0x27 0x32 0x33 0x36 0x37
227 0x28 0x29 0x2c 0x2d 0x38 0x39 0x3c 0x3d
228 0x2a 0x2b 0x2e 0x2f 0x3a 0x3b 0x3e 0x3f
229 ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====
230
231 While W-tiling has been required for stencil all the way back to Sandy Bridge,
232 the docs are somewhat confused as to whether stencil buffers are W or Y-tiled.
233 This seems to stem from the fact that the hardware seems to implement W-tiling
234 as a sort of modified Y-tiling.  One example of this is the somewhat odd
235 requirement that W-tiled buffers have their pitch multiplied by 2.  From the
236 Sky Lake PRM Vol. 2d, "RENDER_SURFACE_STATE" (p. 427):
237
238    If the surface is a stencil buffer (and thus has Tile Mode set to
239    TILEMODE_WMAJOR), the pitch must be set to 2x the value computed based on
240    width, as the stencil buffer is stored with two rows interleaved.
241
242 The last phrase holds the key here: "the stencil buffer is stored with two rows
243 interleaved".  More accurately, a W-tiled buffer can be viewed as a Y-tiled
244 buffer with each set of 4 W-tiled lines interleaved to form 2 Y-tiled lines. In
245 ISL, we represent a W-tile as a tiling with a logical dimension of 64el x 64el
246 but a physical size of 128B x 32rows.  This cleanly takes care of the pitch
247 issue above and seems to nicely model the hardware.
248
249 Tile4
250 -----
251
252 The tile4 format, introduced on Xe-HP, is somewhat similar to Y but with more
253 internal shuffling.  Each tile4 tile is an 8x8 grid of cache lines arranged
254 as follows:
255
256 ===== ===== ===== ===== ===== ===== ===== =====
257 ===== ===== ===== ===== ===== ===== ===== =====
258 0x000 0x040 0x080 0x0a0 0x200 0x240 0x280 0x2a0
259 0x100 0x140 0x180 0x1a0 0x300 0x340 0x380 0x3a0
260 0x400 0x440 0x480 0x4a0 0x600 0x640 0x680 0x6a0
261 0x500 0x540 0x580 0x5a0 0x700 0x740 0x780 0x7a0
262 0x800 0x840 0x880 0x8a0 0xa00 0xa40 0xa80 0xaa0
263 0x900 0x940 0x980 0x9a0 0xb00 0xb40 0xb80 0xba0
264 0xc00 0xc40 0xc80 0xca0 0xe00 0xe40 0xe80 0xea0
265 0xd00 0xd40 0xd80 0xda0 0xf00 0xf40 0xf80 0xfa0
266 ===== ===== ===== ===== ===== ===== ===== =====
267
268 Each 64B cache line within the tile is laid out the same way as for a Y-tile,
269 as 4 rows of 16B each:
270
271 ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====
272 ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====
273 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0c 0x0d 0x0e 0x0f
274 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x16 0x17 0x18 0x19 0x1a 0x1b 0x1c 0x1d 0x1e 0x1f
275 0x20 0x21 0x22 0x23 0x24 0x25 0x26 0x27 0x28 0x29 0x2a 0x2b 0x2c 0x2d 0x2e 0x2f
276 0x30 0x31 0x32 0x33 0x34 0x35 0x36 0x37 0x38 0x39 0x3a 0x3b 0x3c 0x3d 0x3e 0x3f
277 ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ==== ====
278
279 Tiling as a bit pattern
280 -----------------------
281
282 There is one more important angle on tiling that should be discussed before we
283 finish.  Every tiling can be described by three things:
284
285  1. A logical width and height in elements
286  2. A physical width in bytes and height in rows
287  3. A mapping from logical elements to physical bytes within the tile
288
289 We have spent a good deal of time on the first two because this is what you
290 really need for doing surface layout calculations.  However, there are cases in
291 which the map from logical to physical elements is critical.  One example is
292 W-tiling where we have code to do W-tiled encoding and decoding in the shader
293 for doing stencil blits because the hardware does not allow us to render to
294 W-tiled surfaces.
295
296 There are many ways to mathematically describe the mapping from logical
297 elements to physical bytes.  In the PRMs they give a very complicated set of
298 formulas involving lots of multiplication, modulus, and sums that show you how
299 to compute the mapping.  With a little creativity, you can easily reduce those
300 to a set of bit shifts and ORs.  By far the simplest formulation, however, is
301 as a mapping from the bits of the texture coordinates to bits in the address.
302 Suppose that :math:`(u, v)` is location of a 1-byte element within a tile.  If
303 you represent :math:`u` as :math:`u_n u_{n-1} \cdots u_2 u_1 u_0` where
304 :math:`u_0` is the LSB and :math:`u_n` is the MSB of :math:`u` and similarly
305 :math:`v = v_m v_{m-1} \cdots v_2 v_1 v_0`, then the bits of the address within
306 the tile are given by the table below:
307
308 =========================================== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== ===========
309  Tiling                                          11          10          9           8           7           6           5           4           3           2           1           0
310 =========================================== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== ===========
311 :cpp:enumerator:`isl_tiling::ISL_TILING_X`  :math:`v_2` :math:`v_1` :math:`v_0` :math:`u_8` :math:`u_7` :math:`u_6` :math:`u_5` :math:`u_4` :math:`u_3` :math:`u_2` :math:`u_1` :math:`u_0`
312 :cpp:enumerator:`isl_tiling::ISL_TILING_Y0` :math:`u_6` :math:`u_5` :math:`u_4` :math:`v_4` :math:`v_3` :math:`v_2` :math:`v_1` :math:`v_0` :math:`u_3` :math:`u_2` :math:`u_1` :math:`u_0`
313 :cpp:enumerator:`isl_tiling::ISL_TILING_W`  :math:`u_5` :math:`u_4` :math:`u_3` :math:`v_5` :math:`v_4` :math:`v_3` :math:`v_2` :math:`u_2` :math:`v_1` :math:`u_1` :math:`v_0` :math:`u_0`
314 :cpp:enumerator:`isl_tiling::ISL_TILING_4`  :math:`v_4` :math:`v_3` :math:`u_6` :math:`v_2` :math:`u_5` :math:`u_4` :math:`v_1` :math:`v_0` :math:`u_3` :math:`u_2` :math:`u_1` :math:`u_0`
315 =========================================== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== =========== ===========
316
317 Constructing the mapping this way makes a lot of sense when you think about
318 hardware.  It may seem complex on paper but "simple" things such as addition
319 are relatively expensive in hardware while interleaving bits in a well-defined
320 pattern is practically free. For a format that has more than one byte per
321 element, you simply chop bits off the bottom of the pattern, hard-code them to
322 0, and adjust bit indices as needed.  For a 128-bit format, for instance, the
323 Y-tiled pattern becomes :math:`u_2 u_1 u_0 v_4 v_3 v_2 v_1 v_0`.  The Sky Lake
324 PRM Vol. 5 in the section "2D Surfaces" contains an expanded version of the
325 above table (which we will not repeat here) that also includes the bit patterns
326 for the Ys and Yf tiling formats.