Windows显示驱动(WDDM)编程初步(1)
Windows显示驱动从Vista开始,使用新的WDDM编程框架,称为Windows Display Driver Model。也有一种最初的名称是LDDM,L代表Longhorn,但后来微软在所有产品线上都不再使用Longhorn代号,故而改成现在的名称。虽然在有些地方还能看到LDDM的说法,但应理解成旧文档的遗存,不应该做概念上的区分。
WDDM框架是一种典型的小端口(miniport)驱动框架。NT系统中的所有小端口框架,都是基于WDM框架来实现的,但小端口框架对外提供了更高级的接口,以简化编程的难度,并提高稳定性。如下图所示,中间的WDDM是系统提供的编程框架,我们基于这个框架,编写里面的小端口驱动,也就是显示驱动。
显示驱动类型现在的显卡设备,可以按照功能将它分成显示和计算两类。大部分的显卡是用来连接显示器显示图片和动画用的,也有些显卡主要确实用来做科学计算用的。显卡处理器(GPU)对浮点运算有较强的能力,而主机处理器(CPU)处理浮点运算的能力较弱。而在科学计算领域,浮点运算是非常重要的内容,所以工业界就想到利用GPU进行科学运算。
应该说,所有的显卡都既能够支持显示,又能够支持运算。只是看它偏向哪个方面,为哪个功能做优化罢了。对于偏重计算的显卡,就不必配置多个显示接口,图像处理的模块就不用很高级;相反,对于图形功能偏重的显卡,它就必须要大数据带宽,大显存,支持多种类型的接口,能够实现锯齿优化等等。
针对我们的驱动来讲,如果一个显示驱动,既支持显卡的显示功能,又支持运算功能,称为全功能驱动(Complete function);如果只支持显示,不支持运算,就是Display Only驱动;如果只支持运算,不支持显示功能,就是Render Only驱动。
微软在Win8的系统上,为所有不同类型的显卡,编写了Display Only和Render Only驱动。在未安装厂商驱动或者厂商驱动被破坏、禁用的情况下,系统会默认选择使用Display Only驱动来显示桌面内容。但一般系统不会选择安装Render Only驱动,那样就什么都看不到了。Render Only驱动的具体应用场景,我到目前还没有看到。可能在Render Only的数据服务器显卡上会被运用。
我的这份显示驱动初步教材,就是基于微软公开的Display Only驱动项目KMDOD来写的。不会涉及数据Render部分。其实可以很方便地把一个Display only的驱动拓展到Complete驱动,在讲完所有内容后,会有一小部分内容做介绍。
KMDOD项目可以从MSDN代码网站上下载到,地址:
初始化如果不更改编译配置,WDDM驱动的默认启动函数是DriverEntry。这是驱动对象初始化的地方,一般对于小端口驱动而言,它需要调用框架的初始化函数。WDDM框架的初始化函数是DxgkInitializeDisplayOnlyDriver。从内核编程好帮手WDK中,可以找到它的声明:
NTSTATUS DxgkInitializeDisplayOnlyDriver( _In_ PDRIVER_OBJECT DriverObject, _In_ PUNICODE_STRING RegistryPath, _In_ PKMDDOD_INITIALIZATION_DATA KmdDodInitializationData );初始化函数会完成驱动对象的初始化,所以前面两个参数是入口函数的输入参数。在全文最后的实验章节中,会介绍如何查看驱动对象,就能够比较清晰地看到WDDM框架对显示驱动对象所进行的初始化作业了。此外,初始化函数还要完成显示驱动相关的初始化。显示驱动传入一个函数结构体参数,类型是KMDDOD_INITIALIZATION_DATA,结构体里面包含的是显示驱动向框架提供的一系列回调函数(Callback Function)。框架会在合适的时候调用这些回调函数,完成对应功能。
结构体定义如下:
KMDOD项目没有实现结构体中列举的所有回调函数,所以它不能支持WDDM提供的全部和Display相关的功能。比如D3D用户程序通过DC句柄和显示驱动进行交互的escape回调函数,,这里就没有实现。对于没有实现的回调函数,在结构体中的对应函数指针应被初始化为NULL。
第一个参数Version用来标识你所编写的显示驱动使用哪个版本的WDDM。WDDM一共有四个版本:1.0(Vista & Vista SP1);1.1(Win7);1.2(Win8);1.3(Win Blue)。KMDOD这个项目中使用的是Win8版本:DXGKDDI_INTERFACE_VERSION_WIN8。
为了完成结构体初始化,我们要首先实现这些函数。在具体列举实现代码之前,把这些回调函数做一个简单的分类和介绍是有必要的。
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