Windows Vista 顯示器驅(qū)動程序模型WDDM

Windows 顯示器驅(qū)動程序模型 (WDDM) 是 Windows 中支持的一種全新的顯示器驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)。該顯示器體系結(jié)構(gòu)是對 Windows XP 顯示器體系結(jié)構(gòu)的革新，在支持新的方案、圖形和應(yīng)用程序的同時，為用戶提供了性能更佳、可靠性更高的桌面體驗。

WDDM 還提供了可與通常的消費電子設(shè)備相媲美的視頻內(nèi)容播放功能。它通過簡化與外部監(jiān)視器的連接、提供受保護 HD 視頻的播放以及提高總體視頻播放質(zhì)量來實現(xiàn)這一優(yōu)勢。圖形處理單元 (GPU) 的多任務(wù)處理在 Windows 中第一次成為可能，使用戶能夠同時運行多個 GPU 密集型應(yīng)用程序。

最后，WDDM 通過為開發(fā)人員簡化通用的 GPU 編程模型來改進(jìn) PC 游戲體驗，通過保持硬件功能的一致性，得到將超越甚至是最新控制臺的 PC 游戲體驗。

該新顯示器驅(qū)動程序模型是構(gòu)成新桌面體驗的一個極其重要的因素，因此擁有一塊支持 WDDM 的 GPU 對于 Windows 的“Premium Ready”市場標(biāo)志而言是必需的，并且其將可應(yīng)用于未來的 Windows 徽標(biāo)方案。

簡介

GPU 性能改進(jìn)的速度已經(jīng)大幅超過了摩爾定律。專家稱 GPU 一直以來以“摩爾立方定律”的速度在更新，這樣的速度約等于圖形處理能力每年翻一番。到目前為止，這種巨大的圖形處理能力主要被用于視頻游戲、豐富的多媒體套件（如視頻剪輯、特效應(yīng)用等），還用于如計算機輔助設(shè)計這樣的高端技術(shù)應(yīng)用程序。因此，即使每臺 PC 實際上都有一塊這樣的 GPU，但該 GPU 的能力也很少會用于日常事務(wù)中，從而導(dǎo)致 GPU 在 PC 設(shè)計流程中的優(yōu)先級并非最高。

Windows Vista 利用 GPU 的能力絕不僅限于游戲。起初，Windows Vista 依靠 GPU 為所有客戶提供更好的日?？傮w桌面體驗。Windows 視頻播放架構(gòu)依靠 WDDM 傳送高清晰度 (HD) 視頻播放，使視頻播放達(dá)到與最新的消費電子設(shè)備相同的級別。此外，還有許多關(guān)鍵的應(yīng)用程序也在利用 GPU，如新的 Windows Photo 。正是由于 WDDM，才實現(xiàn)了這種操作系統(tǒng)和多個應(yīng)用程序同時在更大范圍的使用 GPU。

本文探討了 WDDM 的常規(guī)優(yōu)點和特殊優(yōu)點，包括：

WDDM 的總體優(yōu)點

桌面窗口管理器 (DWM)

視頻改進(jìn)，包括受保護的視頻播放 (PVP)

部署

移動性和電源

新的圖形 API

WDDM 的總體優(yōu)點

穩(wěn)定性

在 Windows XP 中，顯示器驅(qū)動程序既龐大又復(fù)雜，它可能是系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要原因。這些驅(qū)動程序完全在內(nèi)核模式（即，在系統(tǒng)代碼深處）下執(zhí)行，因此驅(qū)動程序中的一個問題往往會迫使整個系統(tǒng)重新啟動。根據(jù)在 Windows XP 使用期間收集到的失效分析數(shù)據(jù)，有高達(dá) 20% 籃屏是顯示器驅(qū)動程序所造成的。因此，Windows Vista 的一個主要目標(biāo)就成了減少這樣的失效并為客戶提供可靠性更高的桌面體驗，同時還能降低合作伙伴的支持成本。如今，可靠性甚至更為重要，因為有一些主流功能要求圖形管道必須晝夜不停地高效執(zhí)行。新的桌面窗口管理器（它可繪制屏幕上的窗口）就是這種功能的一個示例。穩(wěn)定桌面體驗與沒有重繪錯誤的好處，無疑會為所有客戶而不僅僅是游戲者能體驗到。

WDDM 顯示器驅(qū)動程序在技術(shù)水平上有兩個組件：一個非常先進(jìn)的內(nèi)核模式驅(qū)動程序 (KMD) 和一個執(zhí)行大部分密集計算的用戶模式驅(qū)動程序。有了此模型，已將代碼的大部分移出了內(nèi)核模式。就是說，內(nèi)核模式部分如今只負(fù)責(zé)更低級的功能，而用戶模式部分則承擔(dān)了更繁重的功能，如在保持應(yīng)用程序兼容性的同時促進(jìn)從高級 API 結(jié)構(gòu)向直接 GPU 命令的轉(zhuǎn)換。這極大地減少了出現(xiàn)致命藍(lán)屏的機會，并且使得大多數(shù)圖形驅(qū)動程序相關(guān)的問題在最糟的情況下也僅能影響一個應(yīng)用程序。

WDDM 還針對顯示器驅(qū)動程序掛起的情形提供了容錯措施。這樣便使 Windows Vista 能夠在檢測到系統(tǒng)掛起后再次重啟顯示器驅(qū)動程序，而無需重啟系統(tǒng)。

另外，通過消除需要加入代碼以支持多年來引入的各種設(shè)備驅(qū)動程序接口，Windows Vista 中的顯示器驅(qū)動程序得到了極大的簡化。這樣，Windows Vista 實現(xiàn)了僅一個接口，并能確保所有舊驅(qū)動程序可以被識別且功能最優(yōu)化。

性能

在某個應(yīng)用程序需要啟動 GPU 時，控制權(quán)會從當(dāng)前正在使用 GPU 的任何應(yīng)用程序中奪走。發(fā)生這種情況是因為不能在多個應(yīng)用程序之間同時共享 GPU。在 Windows Vista 中，GPU 可用于許多常見的活動，如基本的窗口管理和視頻呈現(xiàn)。此外，利用 Windows Foundation（.NET Framework 3.0 開發(fā)平臺的部件），開發(fā)人員可借助新的 API 來輕松地使用 GPU，為非游戲應(yīng)用程序提供豐富的友好用戶界面。因為所有這些應(yīng)用程序和功能均依賴于 GPU，因此 GPU 多任務(wù)處理是關(guān)鍵。

WDDM 通過實現(xiàn)以下功能使多個應(yīng)用程序能夠同時使用 GPU：

GPU 內(nèi)存管理器 - 調(diào)整視頻內(nèi)存分配

GPU 計劃程序 - 根據(jù)優(yōu)先級來計劃各種 GPU 應(yīng)用程序

利用這些技術(shù)，在應(yīng)用程序需要啟動其服務(wù)時，當(dāng)前的應(yīng)用程序就不必再放棄 GPU。相反，會以一種更有效的方式來計劃 GPU。

安全性

在支持多任務(wù)處理的平臺上，安全性總是主要受到關(guān)注的內(nèi)容。安全的操作系統(tǒng)需要確保由一個應(yīng)用程序所使用的資源與另一應(yīng)用程序相隔離。應(yīng)用程序的隔離是受保護 HD 內(nèi)容播放的需要。

WDDM 通過內(nèi)置 GPU 內(nèi)存管理器和計劃程序的安全模型來提供這種必需的隔離。當(dāng)前的 Windows XP 顯示器驅(qū)動程序沒有這樣的工具，因此在可以播放的 HD 內(nèi)容類型方面受到限制。

桌面窗口管理器

桌面窗口管理器 (DWM) 是 Windows Vista 中的技術(shù)，用于控制桌面上窗口的顯示和更新。為消除繪制痕跡（這在 Windows 的早期版本上很明顯，因為應(yīng)用程序直接異步繪制到屏幕），在將內(nèi)容繪制到用戶的顯示器之前，DWM 在屏后或屏外的緩沖區(qū)中合成屏幕上的內(nèi)容，比如應(yīng)用程序窗口。DWM 實際上是 Direct3D 應(yīng)用程序，在計算機開啟的那一刻就會將其激活。因此，WDDM 的核心功能（如共享 GPU 資源和處理進(jìn)程的能力）在這種情形下就變得很重要。對于 Windows Vista，有兩個領(lǐng)域的投入與 DWM 相關(guān)：總體的質(zhì)量改進(jìn)和極富感染力的用戶體驗。在實現(xiàn)所有這些高級功能的過程中，WDDM 起到了關(guān)鍵的作用，我們將在下文了解到這一點。在 DWM 上層所構(gòu)建的是 Windows Vista 特征終端用戶體驗，Windows 。

質(zhì)量

在 Windows XP 中，應(yīng)用程序會根據(jù)操作系統(tǒng)的請求直接更新它們的窗口。應(yīng)用程序?qū)⒏鶕?jù)監(jiān)視器的刷新率或當(dāng)前正在運行的任何更新來異步執(zhí)行這些請求。這些請求的結(jié)果是用戶看見窗口錯誤地或緩慢地撕開并重繪。DWM 樣式的窗口顯示消除了撕開的痕跡，提供了高質(zhì)量的桌面體驗。系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，體驗也更加干凈利落，這讓終端用戶受益匪淺。

Windows

DWM 還使得人們能感受到新的 Windows 用戶體驗。Aero 是 Windows Vista 的設(shè)計最佳和性能最好的桌面體驗。它需要一臺配有合適圖形配置的 PC，該配置需要包含對 WDDM 的支持；還必須配備好 PC 以使用 Windows Vista Ultimate、Windows Vista 、Windows Vista Business 或 Windows Vista Home Premium 等產(chǎn)品版本。DWM 提供了很多功能，可使終端用戶以方便、直接的方式來搜索和訪問他們桌面上的窗口。這些功能要求能夠在應(yīng)用程序和 DWM 之間共享圖形內(nèi)存，而這一點就是通過 WDDM 來實現(xiàn)。其他功能，如 Windows 和 Windows 3D，可允許您放心地管理桌面上的窗口，幫助您通過有視覺沖擊力且方便方式來查看這些窗口。有關(guān)具體的硬件需求，請參閱 Windows Vista 升級顧問試用版；要檢查兼容性，請參閱 Windows Vista Capable 和 Premium Ready PC。

DWM 使得 Windows Aero 體驗?zāi)軌蛱峁┮韵陆K端用戶功能：

已打開和最小化應(yīng)用程序的生動的任務(wù)欄縮略圖。

Windows (Alt + Tab) 和 Windows Flip 3D（Windows 鍵 + Tab）- 兩種視覺沖擊力極強的新方式，用于管理打開的應(yīng)用程序窗口。

DPI 縮放 - 支持更高的 DPI 屏幕，因此無論監(jiān)視器分辨率如何，總能可靠地顯示文本。

由于視頻播放取決于驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)，Windows Vista 通過其升級的驅(qū)動程序模型能夠提供許多視頻播放方面的改進(jìn)。通過使用 Windows Vista 和支持 WDDM 的 GPU，用戶在更新圖形驅(qū)動程序后再無需進(jìn)行重啟。移動性和電源功能對于 Windows Vista 中依賴于 WDDM 的可移動的全新移動性功能也從很多方面受益于 WDDM。

視覺刷新

Windows Aero 體驗的一個令人注目的新看點是其擁有專業(yè)的外觀，采用透明的玻璃設(shè)計，具有類似動態(tài)反射和流暢動畫等精妙的效果。視覺元素（如玻璃效果）依賴于 Direct3D 像素陰影著色器管道和通過 WDDM 實現(xiàn)的 GPU 虛擬化。但是，除新的圖形和視覺效果改進(jìn)之外，Windows Aero 桌面體驗執(zhí)行起來也如同其外觀一樣流暢和專業(yè)，為用戶提供了簡單而高質(zhì)的體驗。

視頻改進(jìn)

Windows Vista 的目標(biāo)之一是使視頻播放質(zhì)量與人們對主流消費電子設(shè)備所期望的質(zhì)量相媲美。由于視頻播放取決于驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)，Windows Vista 通過其升級的驅(qū)動程序模型能夠提供許多視頻播放方面的改進(jìn)。

輕松的電視輸出支持

如今，將 PC 連接到電視對于普通消費者而言還有些困難。未經(jīng)擴展配置而僅在電視中插入將不起作用，這一點不同于消費電子設(shè)備。此類安裝通常需要附加的監(jiān)視器和第三方產(chǎn)品。WDDM 解決了電視或監(jiān)視器與 PC 間的連接問題，賦予用戶即插即用的便利。

改進(jìn)的視頻播放質(zhì)量

如果與消費電子設(shè)備相比，在當(dāng)前操作系統(tǒng)上的視頻播放存在質(zhì)量問題，如視頻假信號過多以及色彩保真度不良。WDDM 提供了大量的功能以減輕這些問題。

首先，WDDM 使得 Windows Vista 和運行中的應(yīng)用程序能夠?qū)⒃?GPU 上呈現(xiàn)的幀排隊。其次，與排隊功能密切配合的是一種回饋機制，確定在何時呈現(xiàn)幀。這兩種功能一起通過不斷維持音頻和視頻顯示之間的同步，充分改善視頻播放并減少視頻假信號，可極大地改進(jìn)視頻播放的質(zhì)量。

最后，WDDM 還通過 Direct3D9x 和 Direct3D10 API 提供了對更佳色彩 (gamma) 修正的支持，反過來也要求 GPU 支持這些 API。

高清晰度視頻播放

正如在前文安全性部分所述，WDDM 提供了安全播放高清晰度視頻內(nèi)容的支持，這是許多內(nèi)容提供程序的一項要求。

部署

主要讓 Windows 終端用戶不甚愉快的是：軟件更新需要強制系統(tǒng)通過重啟來完成。之前的圖形驅(qū)動程序要求在更新后系統(tǒng)重啟。通過使用 Windows Vista 和支持 WDDM 的 GPU，用戶在更新圖形驅(qū)動程序后再無需進(jìn)行重啟。

移動性和電源功能

對于 Windows Vista 中依賴于 WDDM 的可移動的全新“移動性”功能也從很多方面受益于 WDDM。

顯示器和投影儀的熱插拔檢測

事實證明，使用 Windows XP 將便攜式計算機連接到投影儀是一個多步驟過程，而每個步驟又會因為便攜式計算機供應(yīng)商的不同而大相徑庭。在 Windows Vista 中，這一連接到外部顯示器或投影儀的過程得到了極大地簡化。當(dāng)附加的外部顯示器或投影儀連接到顯示適配器后，WDDM 將立即檢測到這一新狀態(tài)并自動通知 Transient Mobility Manager (TMM) 模塊，該模塊是新的 Windows Vista 外部顯示器向?qū)У牡讓蛹夹g(shù)。該向?qū)Ш喕藢⒆烂鏀U展或復(fù)制到第二臺顯示設(shè)備的過程。

“混合”休眠

Windows Vista 高級“休眠”狀態(tài)將“待機”功能的快速切換與“休眠”功能的可靠性有機結(jié)合到一起。在 Windows XP 中，“休眠”將促成將系統(tǒng)內(nèi)存上的內(nèi)容保存到硬盤中，同時使系統(tǒng)斷電；“待機”將使用少量電源保留內(nèi)存內(nèi)容，而使系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚯姟?

不過，在 Windows Vista 中，“混合”休眠將促成將系統(tǒng)內(nèi)存內(nèi)容保存到硬盤上，同時系統(tǒng)隨即進(jìn)入“待機”狀態(tài)。因此，系統(tǒng)能以極快的速度從系統(tǒng)內(nèi)存重新開始（對于具有 Windows Premium 功能的 PC，這一過程不超過 2 秒）。不過，如果由于電量完全耗盡或斷電導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存內(nèi)容丟失，系統(tǒng)仍可從硬盤重新開始。

注意 “混合休眠”要求 WDDM。

新的圖形 API

WDDM 實現(xiàn)了功能更強的圖形資源管理。此功能對于可供開發(fā)人員使用的 Direct3D9x 和 Direct3D10 API 的正常運行至關(guān)重要。

Windows Foundation

Windows Foundation 是下一代 Windows 客戶端開發(fā)平臺，用于用戶界面、文檔、圖形、基于桌面的應(yīng)用程序和所連接的應(yīng)用程序，以及內(nèi)容的開發(fā)。使得開發(fā)人員能夠在更廣的范圍內(nèi)利用 GPU 的強大功能，而無需了解低層的圖形編程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，設(shè)計人員和開發(fā)人員可以更加輕松地構(gòu)建為客戶帶來更加豐富和更具吸引力的用戶界面和內(nèi)容。其結(jié)果是，不久我們將會看到新一代應(yīng)用程序（本地以及基于 Web 的應(yīng)用程序），它們將提供更具吸引力的體驗、更佳的數(shù)據(jù)可視化以及更完善的閱讀體驗。

在提供了用于 Windows XP SP2 和 Server 2003 版本的 Windows Presentation Foundation 的同時，在 Windows Vista 上，Windows Presentation Foundation 受益于 WDDM 的可伸縮性，它可以更加可靠地同時運行多個 WPF 應(yīng)用程序。

游戲方面類似控制臺的簡易性

Direct3D10 是新的 Direct3D API，其實現(xiàn)了下一代 3-D 圖形和復(fù)雜的平行計算。該 API 依賴 WDDM 的資源管理功能提供了一些極富表現(xiàn)力的功能。Direct3D10 API 的主要好處有以下方面：

通用的 GPU 編程模型 通過取消了對 GPU 編程的一些限制（部分是通過 WDDM 資源管理實現(xiàn)），實現(xiàn)了功能更為強大的 GPU 編程模型，該模型可用于下一代 3-D 圖形以及那些能夠從高度平行處理（如，圖像處理）中受益的更通用的用途。

硬件功能的一致性 如同在控制臺中，所有具有 Direct3D10 功能的硬件對開發(fā)人員而言是一樣的。換言之，不存在區(qū)分運行 D3D9.x 的硬件配置之間差別的功能位。這樣便更加簡化了軟件的實現(xiàn)。

視覺效果 如“幾何著色器”和“流出”這樣的功能有助于開發(fā)人員創(chuàng)建更加生動、逼真的圖形，這已經(jīng)超出了下一代控制臺所能提供的圖形。

更佳的系統(tǒng)性能 實現(xiàn)了更佳的性能，因為可以應(yīng) CPU 的請求一致卸載進(jìn)程。