window 显示驱动开发-用户模式显示驱动程序

除了内核模式显示驱动程序，图形硬件供应商还必须为其显示适配器编写用户模式显示驱动程序（UMD）。 UMD 是 Direct3D 运行时加载的动态链接库 （DLL）。

UMD 可以包含一个支持多个 Direct3D 版本的 DLL，也可以由单独的 DLL 组成。

1. UMD 的核心角色

用户模式显示驱动程序（User-Mode Driver, UMD）是连接 应用层（如Direct3D游戏） 和 内核模式驱动（KMD） 的关键组件，主要职责包括：

• 实现 Direct3D API 接口：将 D3D 调用转换为 GPU 指令。
• 资源管理：处理纹理、缓冲区等资源的创建/销毁。
• 命令提交：生成 GPU 可执行的命令缓冲区（Command Buffer）。
• 性能优化：实现着色器编译、管线状态缓存等高级功能。

2. UMD 的架构与依赖关系

graph TD
    A[Direct3D 应用] -->|调用 D3D API| B(Direct3D Runtime)
    B -->|加载| C[UMD DLL]
    C -->|DXGI/D3DKMT| D[内核模式驱动 (KMD)]
    D -->|硬件命令| E[GPU]

3. 开发 UMD 的关键步骤

(1) 实现必需的 DDI 函数表

函数表	用途
D3D10DDI_DEVICEFUNCS	Direct3D 10/11 的核心设备函数（如创建资源、绘制指令）。
DXGI_DDI_BASE_FUNCTIONS	DXGI 相关功能（交换链管理、呈现控制）。
D3D11_1DDI_DEVICEFUNCS	Direct3D 11.1 扩展功能（如平铺资源、逻辑操作）。

UMD 需导出以下函数表供 Direct3D 运行时调用：

示例（导出函数表）：

// 在 UMD DLL 中导出
extern "C" HRESULT APIENTRY GetD3D10DDI_DEVICEFUNCS(
    D3D10DDI_HDEVICE hDevice, 
    D3D10DDI_DEVICEFUNCS* pFunctions
) {
    pFunctions->pfnCreateResource = YourCreateResourceHandler;
    pFunctions->pfnDrawIndexed = YourDrawIndexedHandler;
    // ...填充其他函数指针
    return S_OK;
}

(2) 处理资源创建与共享
支持跨进程共享资源：

• 实现 D3D11DDI_RESOURCE_MISC_SHARED 标志的处理逻辑。
• 使用 NT 句柄（HANDLE）或共享内存传递资源数据。

示例（共享纹理创建）：

HRESULT CreateSharedTexture(
    D3D10DDI_HDEVICE hDevice,
    D3D11DDIARG_CREATERESOURCE* pArgs
) {
    if (pArgs->MiscFlags & D3D11DDI_RESOURCE_MISC_SHARED) {
        HANDLE hShared = CreateSharedHandle(pArgs->hRTResource);
        // 将 hShared 传递给其他进程
    }
}

(3) 命令生成与提交

• 生成 GPU 命令缓冲区：将 D3D 绘制调用（如 DrawIndexed）转换为 GPU 指令（如 NVIDIA PM4/Microsoft DDI）。
• 提交到 KMD：通过 D3DKMTSubmitCommand 或 DXGKRNL_INTERFACE 提交命令。

示例（命令生成）：

void APIENTRY DrawIndexed(
    D3D10DDI_HDEVICE hDevice,
    UINT IndexCount,
    UINT StartIndex,
    INT BaseVertex
) {
    BYTE* pCmdBuffer = AllocCommandBuffer();
    EncodeDrawIndexed(pCmdBuffer, IndexCount, StartIndex, BaseVertex);
    SubmitToKmd(pCmdBuffer);
}

4. UMD 与 KMD 的交互

交互场景	通信机制	示例
资源创建	D3DKMT_CREATEALLOCATION	纹理/缓冲区内存分配。
命令提交	D3DKMT_SUBMITCOMMAND	提交渲染命令到 GPU 队列。
查询硬件能力	D3DKMT_QUERYADAPTERINFO	获取 GPU 最大纹理尺寸。
同步控制	D3DKMT_CREATESYNCHRONIZATIONOBJECT	栅栏（Fence）同步。

5. 调试与验证工具

工具	用途
PIX on Windows	捕获 D3D 调用链，分析 UMD 生成的命令缓冲区。
GPUView	可视化 GPU 调度时序，检查命令提交延迟。
WinDbg	调试 UMD DLL 的崩溃或内存泄漏（需配置符号路径）。
WPA (Windows Performance Analyzer)	分析 ETW 事件，定位性能瓶颈。

6. WHCK 认证要求

UMD 需通过以下测试（部分示例）：

测试项	验证目标
Device.Graphics.UMD.Functional	基本 D3D 功能（如纹理渲染、着色器）正确性。
Device.Graphics.UMD.MultiThread	多线程渲染稳定性。
Device.Graphics.UMD.SharedResources	共享资源（如纹理）的跨进程访问。

7. 性能优化技巧

• 着色器缓存：缓存编译后的着色器二进制码，减少运行时开销。
• 动态资源管理：使用 D3D11_USAGE_DYNAMIC 资源优化频繁更新的数据。
• 批处理绘制调用：合并多个小 Draw Call 以减少 CPU 开销。

8. 常见问题与解决

问题	解决方案
UMD 加载失败	检查 DLL 导出函数是否完整，依赖项是否满足。
命令提交卡顿	优化命令缓冲区生成逻辑，减少锁竞争。
共享资源访问冲突	使用正确的同步机制（如栅栏）。

9. 总结

UMD 是 Direct3D 应用与 GPU 硬件间的桥梁，需高效、稳定地实现 D3D 规范。

关键开发点：

• 完整实现 DDI 函数表。
• 正确处理资源共享与同步。
• 优化命令生成与提交路径。

认证必备：通过 WHCK 测试确保兼容性与性能。