经过多年的计算机使用和编程,我意识到实际在屏幕上绘制的软件堆栈对我来说基本上是一个谜。
我曾研究过一些嵌入式 LCD GUI 应用程序,我认为这为简化堆栈提供了一些线索,但对于 Windows 操作系统之类的东西的整体情况仍然模糊。
据我所知:
- 最低级别 0 是电子硬件(集成电路),它提供数字接口,将屏幕上的像素变成某种颜色或灰度色调。该界面记录在数据表中,因此您知道如何切换数字线以按照您想要的方式转动任何像素。
- 下一级是硬件驱动程序。这通常将硬件抽象为通用接口。像 SetPixel() 之类的东西。
下一个级别 2 是 2D/3D 图形库(我对其中的小部件/单屏经验有限)。较低级别似乎提供了代表屏幕上像素的缓冲区或内存范围。图形库对此进行了抽象,因此您可以调用 DrawText("text", 10, 10, "font") 等函数,它会以正确的方式为您设置像素。
下一个层次将是操作系统的魔力。窗口/按钮/表单/WPF/等是在内存中创建的,然后路由到适当的驱动程序,同时也被定向到屏幕的某个部分?
但是像 Windows 这样的东西到底是如何工作的呢?
- 我假设 GPU 适合级别 0 和级别 1。GPU 直接驱动显示器上的像素,现在级别 1 驱动程序是 GPU 驱动程序。还有更多函数可用于启用 GPU 提供的附加功能。 (这会是什么?操作系统是否会传递 3D 空间中的三角形数组,然后 GPU 将其处理为 3D 透视图,然后将其显示在屏幕上?)
但对我来说最大的谜团是当你进入窗口部分时。您可以同时运行 sketch up、visual studio 和 FPS 游戏,并能够在它们之间切换,或者在某些情况下将它们平铺在屏幕上或分布在多个屏幕上。这是如何跟踪和渲染的?其中每一个都必须在后台运行,操作系统必须说明哪个图形管道应该连接到屏幕的哪个部分。 Windows 会如何说屏幕的这一部分是 3D 游戏而这部分是 2D WPF 应用程序等?
最重要的是,您可以在一个应用程序中使用 DirectX,在另一个应用程序中使用 Qt。我记得有多个游戏或应用程序运行使用相同的技术,那么这是如何工作的呢?据我所知,您将拥有应用程序->图形库(DirectX、WPF 等)->帧缓冲区->Windows 控制器(该帧缓冲区应该缩放到屏幕的位置和部分)->驱动程序?
最后,它只是通过位切换来指示哪个像素应该是什么颜色,但在到达那里的过程中需要进行大量的切换位。
如果我启动 Visual Studio 并创建一个基本的 WPF 应用程序,当我将按钮放在屏幕上并单击开始时,后台会发生什么?我见过 VS 设计师将它放在上面,在 XAML 中创建它,我什至在嵌入式系统中手动绘制了一个像素一个像素的东西,但是在这之间发生了什么,即所谓的三明治的肉?
我用过 Android、iOS、Windows 和 Linux,它似乎是一个常见的功能,但我从未见过或听到过关于我上面概述的背后是如何实现的解释,我只有一个稍微有根据的猜测。
有谁能解释一下这是如何工作的吗?
VGA
假设 x86,VGA 内存映射到最低 1 MiB 的标准视频缓冲区地址(文本模式为 0x000B8000,图形模式为 0x000A0000)。还有许多 VGA 寄存器控制卡的行为。有两种广泛使用的视频模式:模式 0x12(16 色 640x480)和模式 0x13(256 色 320x200)。模式 0x12 涉及使用 VGA 寄存器切换平面(蓝、绿、红、白),而模式 0x13 涉及使用 VGA 寄存器可以修改的 256 色调色板。
通常,依赖 VGA 的操作系统会在启动时使用 BIOS 设置模式,或者在运行时写入适当的 VGA 寄存器(如果它知道自己在做什么)。要绘制到屏幕上,视频驱动程序要么简单地写入视频内存(模式 0x13),要么将其与写入 VGA 寄存器(模式 0x12)结合起来。
目前使用的大多数卡仍然(部分)兼容 VGA。
VBE
几年后,VESA 发明了“VESA BIOS 扩展”,这是视频卡的标准接口,允许更高的分辨率和更大的颜色深度。视频内存通过两种不同的方式公开:存储模式和线性帧缓冲区。存储区模式会将视频内存的一小部分暴露给低地址 (0x000A0000),并且视频驱动程序几乎每次更新屏幕时都需要切换存储区。线性帧缓冲区是一种更方便的解决方案,它将整个视频内存映射到非标准高地址。
在启动期间,操作系统将调用 VBE 接口来查询支持的模式并设置最方便的模式,或者它会绕过 VBE 接口并直接写入所需的视频硬件寄存器(如果它知道自己在做什么)。在分组模式和线性帧缓冲区之间,视频驱动程序将写入视频内存映射到的指定内存地址。
目前使用的大多数卡仍然(部分)兼容 VBE。
现代视频接口
最现代的视频接口通常没有 VGA 和/或 VBE 那样广泛记录。然而,视频内存仍然映射到一个地址,而硬件寄存器和/或缓冲区包含有关图形卡行为的可修改信息。不同之处在于接口不再标准化,现在先进的操作系统需要为每个显卡使用不同的驱动程序。
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