隨著手持裝置逐漸普及化，使得應用程式被廣泛的使用。為了維持應用程式的
效能，近年來大多數手持裝置開發人員開始使用圖形處理器（GPU）作為硬體加
速器。因此，圖形處理器開始成為智慧型手持裝置的基本配備要求。隨著圖形處理
器開發技術的提高，透過使用 DirectX、OpenGL 提出的著色語言，渲染管線已成
為可程式化的硬體元件。為了將著色語言編譯成圖形處理器組合語言以運行渲染管
線，著色語言編譯器是不可或缺的。然而渲染管線的技術提升提供了一個挑戰與機
會，來證明是否著色語言編譯器可以有效的實作在一般編譯器的基礎架構上，像是
LLVM - 一個提供任意程式語言不同編譯階段優化的開放源碼編譯器基礎架構。
在這篇論文中，我們的案例研究過程描述如何為工業技術研究院團隊設計的全
新圖形處理器實作 OpenGL-ES 2.0 著色語言編譯器。使用的編譯器是基於 LLVM
和 OpenGL framework Mesa。我們使用 Mesa 作為編譯器前端將 OpenGL-ES 2.0
著色語言轉換成 TGSI 格式的中介碼，而 Mesa 的 Gallium3D 驅動元件 framework
會將 TGSI 轉為 LLVM bitcode 中介碼。最後，我們使用 LLVM 作為編譯器後端將
LLVM bitcode 編譯成 NV_gpu_program4 的組合語言。在我們初步的實驗結果，
我們使用工業技術研究院提供的圖形處理器模擬器與 GLES 測試程式作為測試環
境，並顯示我們基於 LLVM 著色語言編譯器能夠可靠的編譯 OpenGL-ES 2.0 程式
碼。

Contents
Abstract i
Contents iii
List of Figures v
List of Tables vi
1 Introduction 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Overview of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Background 5
2.1 3D Graphics Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Shader Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Gallium3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Low Level Virtual Machine (LLVM) . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 GPU Design 14
3.1 Tile Based Deferred Rendering (TBDR) . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Unified Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4 GLSL ES Support In LLVM 18
4.1 Front-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.1 Shader Variable Parsing . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.2 Built-In Language Variables . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2 Back-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2.1 Explicit Program Parameters . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2.2 Vector and Swizzling Function . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.3 LLVM Transform Passes . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.4 Register Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5 Experiment Results 25
5.1 Experiment Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6 Conclusion 28
6.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

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