深度解读 - Windows 7核心图形架构细致分析

深度解读 - Windows7核心图形架构细致分析
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。
文/IT168
Windows7之家（www.908098.com），凝聚你我他