深度解读 - Windows 7核心图形架构细致分析(来自微软)

编辑：马志文
时间： 2009-12-29
如现在大家所想的那样， Windows7 其实是 Windows Vista 的改进版。 Windows 7 在 Windows Vista 的基础上进行了大量的完善工作，也加入了不少新特性。 Vista 与其上一代 XP 相比，提供了非常大的改进，然而一方面这些改进过于巨大，用户乃至相应软件厂商（如， DirectX 10 应用开发商）一时无法完全接受，另一方面，由于特性的不完全具备， Vista 的表现没有想象之中的那么好。到了 Windows 7 ，包括操作系统本身、软件厂商和用户都已经做好了准备，因此反响比 Vista 更好也就不难理解了。

图形界面一直是 Windows 系统的核心，而从 Windows Vista 开始， Windows 就开始将提供一个富图形化的桌面图形界面作为要目，不仅仅是因为 Vista 和 7 的桌面本身就是一个 3D 应用程序，而是因为 Vista 和 7 可以更好地发挥图形加速硬件的作用。从 Windows Vista 到 Windows7 ，操作系统与 GPU 的结合越来越紧密。




虽然人们经常可以听到 Windows7 的大更新在于一个 DirectX 11.0 API ，然而对于 Windows 系统的图形架构来说，虽然 DirectX 也很重要，不过这还不是全部。一个图形架构包括了如何利用 GPU 加速各种各样的图形应用（ 2D 、 3D 、打印等）、如何显示到最终显示设备上，以及包括设备检测、控制。 Window 7 在图形架构方面的更新主要有如下方面：

WDDM 1.1 ：新的驱动模型
DirectX 11 ：更新的 Direct3D 11 ，以及相关的新 Direct2D API
DXVA-HD ：高清视频回放加速
显示设备连接和配置
色彩管理
高 DPI 输出和可读性
多 GPU 系统
联合显示适配器（又叫联合渲染）

下面，会就这些改进进行简单的介绍。



Windows 7 核心图形架构
Windows 应用程序使用各种如 GDI （ Graphics Device Interface ， 2D 时代系统的主要图形接口）、 Direct3D 、 OpenGL 这样的 API 和系统图形组件通信，而系统组件通过 WDDM （ Windows Display Driver Model ，又名 Longhorn Display Driver Model ）与硬件交互，从 Vista 起， Windows 就采用了和 XP 使用的 XPDM 不同的新的驱动模型： WDDM ，使用的驱动模型在很大程度上决定了一个系统的图形特性。 Vista 使用的 WDDM 版本为 1.0 ，而 Windows7 使用的改进版本为 WDDM 1.1 。









WDDM 1.1 带来的改动挺多的，下面我们先来看看 WDDM 1.0 相对 XPDM 的改动，也就是 Vista 相对 XP 的改动



XPDM ：非合成模型




WDDM ：合成模型
在垂直同步之谜 XP/Vista 与 3D 性能测试中，笔者解释过 XP/Vista 的模型的不同之处，在 WDDM 模型下，所有的应用程序生成的显示画面最后会在 DWM （ Desktop Windows Manager ，桌面窗口管理器）内进行合成为单一的最后输出画面，因此获得了更好的显示效果（天生的所有程序垂直同步）、额外效果（缩略图、缩放）以及可以支持更大的左面，不过，原始的 WDDM 1.0 只是实现了这个大架构上的转换，细节上仍未够完美：



在 Vista 下， GDI （绘制通常的 2D 窗口的 API ，此外还有很多其他图形操作使用 GDI ）和 DirectX （ 3D 应用 API ）具有着不同的处理方法： Direct3D 是硬件加速的，而 GDI 则不是（ GDI 在 XPDM 时是硬件加速的），因此 Vista 用户在一些图形程序上会感到比 XP 慢；而且 GDI 应用程序先经过 CPU 软件处理到系统内存上，再传输到显卡驱动分配的 GDI 显存区域上（也在系统内存当中），再由 DWM 负责将画面合成输出到显示器



Windows 7 当中， GDI 获得了硬件加速（这个见下面） —— 不过在混合使用 GDI 和 Direct3D API 的时候， GDI 仍然无法硬件加速，不过， GDI 直接输出到驱动的 GDI 显存区域，减少了一个步骤，同时降低了内存消耗（同时对混用的 Direct3D API 也有效）；显然，混合食用 API 来进行图形编程并不是一个好主意（当然，同时使用 GDI 和 Direct3D 意味着这个是一个老的、窗口模式的 3D 应用程序，如 Windows 模式的老 3D 游戏）



老的WDDM 1.0 处理GDI 应用程序就如前面说过的一样



而在 Windows 7 WDDM 1.1 模型当中，单独的 GDI 将会通过 WDDM 与 GPU 进行硬件加速，同时经过 GDI 显存区域输出到 DWM ，表现在实际操作上，就是大
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部分窗口操作都变得比 Vista 更流畅，日常工作更快捷（大部分 2D 应用程序都使用了 GDI API ，因为 GDI 包括的内容太多，因此必须对其保持兼容；关于 GDI ，后面还有相关内容）



Windows XP 的Direct3D/GDI驱动架构



Windows Vista 核心图形架构，比起XP 来要丰富了很多



Windows 7 核心图形架构，老的 GDI/GDI+ 仍被单独支持，不过， Windows 7 提供了它们对应功能的新的实现方法相比 Vista 带的 DirectX 10 ， Windows 7 自带了 DirectX 11 ，和 WDDM 1.0 到 1.1 的变化不同， DirectX 11 的版本号表示其变化更大一些。 Windows 7 DirectX 11 改变了以往的工作模式，将 Direct3D 10.1 升级到 Direct3D 11 ，同时将以前 Vista 无法硬件加速的 GDI/GDI+ 的工作重新划分、引入新的 Direct2D 和 DirectWrite API 来完成：



以前的图形操作大部分由 Diredt3D 和 GDI/GDI+ 完成（此外还有一个 WIC——Windows Image Component ，管理扫描、打印和图形解码等工作），而在 Vista 当中， GDI 是无法硬件加速的 —— 因此 Vista 显得很慢，在 Windows 7 中， GDI 的工作除了通过 WDDM 模型的改变获得硬件加速之外，它们还按照面向的应用重新划分为 Direct2D （ 2D 加速）、 DirectWrite （文本处理）和 DXGI 1.1 （设备控制），这些新的 API 或者新分配到的 API 具有着硬件加速，例如， Direct2D 就实际上是通过 Direct3D 10 来完成加速：
Direct2D ：
硬件加速的即时模式 2 维图形 API ，它在 2 维几何图形、位图和文本方面有着较高的性能和质量。 Direct2D API 是设计与 GDI 、 GDI+ 和 Direct3D 之间进行互操作的。
DirectWrite ：
DirectWrite 提供高质量的文本呈现、具有独立分辨率的轮廓字体、完整的 Unicode 文本以及布局支持。在使用 Direct2D 的时候， DirectWrite 是硬件加速的。



当系统不支持 Direct3D 10 的时候， Windows 7 会通过一个额外的 10Level9 软件层使用 D3D9 来完成工作，显然，为了最好的效率，你需要使用 Direct3D10 的显卡，因为 Windows 7 的 DWM 基于 Direct3D 10



字体抗锯齿：DirectWrite 效果



Direct3D 11
Windows 7 带的 Direct3D 11 是 D3D10 的超集，它的特点是可以同时支持运行在 Direct3D9 和 Direct3D10.1 硬件上，实际上， DirectX 11 会提供 Vista 的支持，而不是像 Direct 10 出来时那样，只支持 Vista 而无法兼容上一代系统，这导致了软件开发厂商们向 DirectX 10 转移的缓慢。 DirectX 11 支持多个硬件平台和多种操作系统的特性让其更容易被接受。同时 Direc3D 11 本身也具有这不少的改进，这一点会有专文讨论（计划中），这里先谈论 Windows 7 对整个图形操作的改进，通过更多地将 GDI/GDI+ 纳入 DirectX 体系获得硬件加速，图形界面的性能会越来越好（当然，这需要软件厂商们使用新的 Direct2D/DirectWrite 进行编写）。微软希望将所有的图形操作都构建在 DirectX 之上。



通过 Vista 中缺失的 GDI 硬件加速纳入到 DirectX 体系中重新获得硬件加速，并且性能要更快；未来显卡厂商们将不再需要提供 GDI 加速
显示技术



Windows 7 支持一系列的显示技术，包括将数字输出作为原生输出（支持 HDMI 和 DisplayPort ，而老的 VGA 模拟输出被建议弃用）， Windows 7 还原生支持更多的内容来源，如 Blu-Ray 、 JPEG-XR 、 HDR 图片等。



Windows 7 使用默认的 sRGB 色彩空间作为所有设备都统一的工作流，但是精度提升到 30 位 —— 每一个色彩通道都增加了两位； Windows 7 最高支持 48 位的 scRGB 模式，高精度＋扩展范围＋高动态



WDDM 1.1 要求驱动支持BGRA ，BGRA 是最快的色彩格式
显示设备连接和配置



在Windows 7 中，所有的应用程序都在一个统一的虚拟桌面中显示，这个虚拟桌面分辨率为64Kx64K （65536x65536 ）



虚拟桌面按照显示器分为不同的视图，每一个视图对应一个适配器；一个适配器并不意味着一块显卡，一块显卡连接多个显示器的时候，它就含有多个适配器，类似地， SLI 或者 CrossFireX 连接的单显示器就意味着其是一个单一的适配器（从 Vista 开始加入，叫做 Linked-Adapter 特性）



不过，在Vista 下，无法使用多块不同GPU 厂商的显卡，而Windows 7 则可以



在 LDA 配置下，程序界面在不同的输出中漫游基本上是透明的，叫做 Dynamic adapter switching 动态适配器切换



在多显示器下， Windows 7 提供了一个新的全局快捷键功能： Win + P ，可以快速设置多显示器工作状态，这个快捷键本来是特地为了投影仪应用而设计
总的来说， Windows 7 的图形架构比起 Vista 来更加完善，应用也更加方便。最明显的就是 GDI API 的变迁了，现在 GDI 应用程序也获得了硬件加速，就如同 XP 下一样，比其 Vista 下只能处理器来进行处理，因此用户们可以感觉到日常应用会更加流畅。