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Modelo de driver de vídeo do Windows Vista

Microsoft Corporation

Publicado em: 2 de outubro de 2006

Experimente a próxima geração da área de trabalho do Windows

O modelo de driver de vídeo do Windows é uma nova arquitetura de driver de vídeo com suporte no Windows Vista. Trata-se de uma revisão da arquitetura de exibição baseada no Windows XP que proporciona ao usuário uma experiência de área de trabalho mais confiável e com melhor desempenho.

Nesta página

Resumo:
Introdução
Benefícios gerais do WDDM
Gerenciador de Janelas da Área de Trabalho
Aprimoramentos de vídeo
Implantação
Recursos de mobilidade e potência
Novas APIs gráficas

Resumo:

O WDDM também fornece reprodução de conteúdo de vídeo que se rivaliza com os aparelhos eletrônicos típicos. Isso é possível graças à sua facilidade de conexão com monitores externos, o que proporciona reprodução de vídeo com disco rígido protegido e aumenta a qualidade geral da reprodução. Pela primeira vez no Windows, é possível a execução multitarefas na GPU (unidade de processamento gráfico), que permite ao usuário executar, simultaneamente, mais de um aplicativo de uso intenso da GPU.

Finalmente, o WDDM melhora a experiência com jogos no PC, simplificando o modelo de programação de GPU generalizado para os desenvolvedores e mantendo uma consistência nos recursos de hardware, o que se traduz em uma experiência que deixará para trás até mesmo os consoles mais recentes.

Este novo modelo de driver de vídeo representa uma parte crucial da nova experiência de área de trabalho e, portanto, ter uma GPU que dê suporte ao WDDM é um requisito para a designação de marketing "Premium Ready" do Windows Vista, que será aplicada aos futuros programas detentores do logotipo Windows Vista. (7 páginas impressas)

Introdução

Os avanços nas taxas de desempenho das GPUs excederam em muito a lei de Moore. Especialistas dizem que as GPUs vêm sendo aprimoradas a uma taxa da "lei de Moore ao cubo", ou seja, que o poder de processamento gráfico aproximadamente dobra a cada ano. Até hoje, esse sólido poder de processamento gráfico tem sido usado, predominantemente, nos vídeo games, conjuntos ricos em multimídia (como edição de vídeo), aplicativos de efeitos especiais e aplicativos técnicos avançados (como desenho auxiliado por computador). Por conseqüência, muito embora todo PC moderno, virtualmente, inclua uma GPU, sua potência raramente é usada em atividades do dia-a-dia, o que acaba fazendo com que as GPUs não sejam de alta prioridade no processo de design dos PCs.

O Windows Vista utiliza a potência da GPU para mais do que apenas jogos. Para iniciantes, o Windows Vista se apóia na GPU para dar a todos os consumidores uma melhor experiência geral de área de trabalho no dia-a-dia. A infra-estrutura de reprodução de vídeo do Windows se apóia no WDDM para entregar uma reprodução de HD (alta definição) e para elevá-la a um nível de paridade com os últimos aparelhos eletrônicos fabricados. Além disso, há uma série de outros aplicativos-chave que, agora, utilizam a GPU, como a nova Galeria de Fotos do Windows. Essa maior utilização da GPU, simultaneamente pelo sistema operacional e por vários aplicativos, é habilitada pelo WDDM.

Este documento examina os benefícios gerais e específicos do WDDM, inclusive:

  • Benefícios gerais do WDDM

  • DWM (Gerenciador de Janelas da Área de Trabalho)

  • Aprimoramentos de vídeo, inclusive PVP (Reprodução de vídeo protegida)

  • Implantação

  • Mobilidade e potência

  • Novas APIs gráficas

Benefícios gerais do WDDM

  • Estabilidade

    No Windows XP, os drivers de vídeo, que são grandes e complexos, podem ser uma grande fonte de instabilidade do sistema. Esses drivers são executados inteiramente no modo kernel (isto é, fundo no código do sistema) e, por isso, a existência de um único problema no driver obriga o sistema, muitas vezes, a ser reinicializado. De acordo com os dados de análise de panes coletadas durante o período do Windows XP, os drivers de vídeo são responsáveis por até 20% de todas as telas azuis. Logo, tornou-se uma das principais metas do Windows Vista reduzir tais panes e fornecer aos consumidores uma experiência de área de trabalho mais confiável, reduzindo, ao mesmo tempo, os custos de suporte com parceiros. A confiabilidade é ainda mais importante agora, já que há recursos importantes que exigem que o pipeline gráfico funcione com eficácia e no tempo certo. O novo Gerenciador de Janelas da Área de Trabalho, que desenha as janelas na tela, é um exemplo desses recursos. Os benefícios de experimentar uma área de trabalho estável, sem erros de redesenho, aplica-se, seguramente, a todos os clientes, e não apenas aos usuários de jogos.

    Em um nível técnico, os drivers de vídeo WDDM têm dois componentes: um KMD (driver de modo kernel), que é bastante simples, e um driver no modo de usuário, que faz a maior parte da computação intensa. Com esse modelo, a maior parte do código não fica no modo kernel. Ou seja, a parte no modo kernel é responsável, agora, somente pela funcionalidade de nível mais baixo e a parte no modo de usuário assume a funcionalidade mais pesada, como facilitar a conversão de construções de API de nível mais alto em comandos diretos da GPU, mantendo, ao mesmo tempo, a compatibilidade do aplicativo. Isso reduz muito as chances de uma tela azul fatal e a maioria dos problemas relacionados com drivers gráficos que resultam, na pior das hipóteses, na pane de um aplicativo.

    O WDDM também fornece tolerância a falhas contra retardos do driver de vídeo. Isso permite ao Windows Vista detectar retardos do sistema e reiniciar o driver de vídeo novamente, sem a necessidade de reinicializar o sistema.

    Além disso, os drivers de vídeo no Windows Vista foram significativamente simplificados pela eliminação da necessidade de inclusão de código para o suporte a diversas interfaces de driver de dispositivo, introduzido por vários anos. Assim, o Windows Vista implementa uma única interface, assegurando, ao mesmo tempo, o reconhecimento de todos os drivers mais antigos e funcionamento perfeito.

  • Desempenho

    Quando um aplicativo que precisa da GPU é ativado, o controle é tirado de qualquer outro aplicativo que esteja usando a CPU. Isso acontece porque não há o recurso de compartilhamento da GPU por vários aplicativos simultaneamente. No Windows Vista, a GPU é utilizada para muitas atividades comuns, como gerenciamento básico de janelas e processamento de vídeo. Além disso, com o Windows Presentation Foundation (parte da plataforma de desenvolvimento do .NET Framework 3.0), há novas APIs que permitem aos desenvolvedores usar facilmente a GPU para fornecer aplicativos com interfaces amigáveis e sofisticadas, que não sejam jogos. Como todos esses aplicativos e recursos são dependentes da GPU, a execução multitarefas da GPU é crucial.

    O WDDM permite que vários aplicativos utilizem a GPU simultaneamente, implementando o seguinte:

    • Gerenciador de memória da GPU — arbitra a alocação de memória para vídeo

    • Agendador da GPU — agenda diversos aplicativos na GPU, de acordo com a prioridade

    Com essas tecnologias, os aplicativos não precisam mais ceder a GPU quando outro aplicativo que solicita seus serviços é iniciado. Em vez disso, a GPU é agendada de modo mais eficaz.

  • Segurança

    A segurança é uma grande preocupação de qualquer plataforma que dê suporte à execução multitarefas. Um sistema operacional seguro precisa garantir que os recursos usados por um aplicativo estejam isolados dos outros. Esse isolamento de aplicativos é um requisito para a reprodução de conteúdo em alta definição protegido.

    O WDDM, por meio do modelo de segurança interno do gerenciador de memória e do agendador da GPU, providencia o isolamento necessário. Os drivers de vídeo atuais do Windows XP não têm tais recursos e são limitados quanto aos tipos de conteúdo em alta definição que conseguem reproduzir.

Gerenciador de Janelas da Área de Trabalho

O DWM é a tecnologia, no Windows Vista, que controla a exibição e a atualização de janelas na área de trabalho. Para eliminar artefatos de desenho aparentes em versões anteriores do Windows, nas quais os aplicativos desenham diretamente na tela de modo assíncrono, o DWM compõe o conteúdo da tela, como janelas de aplicativos, em um buffer de fundo ou fora da tela, antes de desenhá-lo para exibição ao usuário. Em essência, o DWM é um aplicativo Direct3D ativado no momento em que o computador é ligado. Assim, os recursos básicos do WDDM, como a capacidade de compartilhar os recursos e o processamento da GPU, tornam-se essenciais nesse cenário. No caso do Windows Vista, houve duas áreas de investimento em relação ao DWM: melhoria geral na qualidade e experiência de usuário cativante. Como veremos adiante, o WDDM exerce um papel essencial na habilitação de todos esses avanços. Baseia-se no DWM a experiência de usuário final por assinatura do Windows Vista, o Windows Aero.

  • Qualidade

    No Windows XP, os aplicativos atualizam suas janelas diretamente quando solicitados pelo sistema operacional. Essas solicitações podiam ser executadas de forma assíncrona, no que diz respeito à taxa de atualização do monitor ou a eventuais atualizações que pudessem estar em execução. O efeito dessas solicitações é que o usuário vê janelas se partindo e sendo redesenhadas incorreta ou lentamente. O estilo de apresentação de janelas do DWM elimina os artefatos rompidos, oferecendo uma experiência de alta qualidade na área de trabalho. O benefício para o usuário final é que o sistema parece responder melhor, com uma experiência visual mais limpa.

  • Windows Aero

    O DWM também torna possível a nova experiência de usuário Windows Aero. O Aero é a experiência de área de trabalho com o melhor desenho e o melhor desempenho do Windows Vista. Ele requer um PC equipado com uma configuração gráfica apropriada, o que inclui suporte a WDDM; o PC também deve estar equipado com as edições Windows Vista Ultimate, Windows Vista Enterprise, Windows Vista Business ou Windows Vista Home Premium do produto. O DWM entrega uma série de recursos que permite aos usuários finais localizar e acessar janelas na área de trabalho de forma mais conveniente e direta. Esses recursos dependem da capacidade de compartilhamento da memória gráfica entre os aplicativos e o DWM, o que é habilitado pelo WDDM. Outros recursos, como o Windows Flip e o Windows Flip 3D, permitem que você gerencie de forma confiável as janelas de sua área de trabalho, ajudando-o a visualizá-las de modo ainda mais conveniente e surpreendente. Consulte Windows Vista Upgrade Advisor beta para obter os requisitos exatos de hardware e Windows Vista Capable e Premium Ready PCs para verificar a compatibilidade.

    O DWM habilita a experiência Windows Aero a fornecer os seguintes recursos de usuário final:

    • Miniaturas dinâmicas da barra de tarefas para abrir e minimizar aplicativos.

    • Windows Flip (Alt + Tab) e Windows Flip 3D (tecla Windows + Tab) — duas novas formas visualmente formidáveis de gerenciar janelas de aplicativos abertas.

    • Ajuste de DPI — suporte a telas de DPI mais alta, para que o texto seja exibido com boa definição independente da resolução do monitor.

  • Atualização visual

    Um novo elemento notável da experiência Windows Aero é sua aparência de vidro transparente, seu design profissional com efeitos sutis, como reflexos dinâmicos e animações suaves. Elementos visuais, como o efeito de vidro, dependem do pipeline sombreador de pixel do Direct3D e da virtualização da GPU pelo WDDM. Contudo, além do novo acabamento gráfico e visual, a experiência de área de trabalho Windows Aero é executada de forma tão suave e profissional quanto sua aparência, proporcionando ao usuário uma experiência simples e de alta qualidade.

Aprimoramentos de vídeo

Uma das metas do Windows Vista é corresponder à qualidade de reprodução de vídeo que as pessoas esperam dos principais aparelhos eletrônicos do mercado. Como a reprodução de vídeo é dependente da arquitetura dos drivers, o Windows Vista, com seu modelo de driver atualizado, é capaz de proporcionar uma série de avanços na reprodução de vídeos.

  • Suporte fácil a monitor externo

    Atualmente, ainda é difícil, para o consumidor médio, conectar um PC a uma TV. Ao contrário dos dispositivos eletrônicos, a simples conexão do plugue com uma TV não funciona sem uma ampla configuração. A configuração pode, muitas vezes, exigir um outro monitor e produtos de terceiros. O WDDM elimina os problema de conectividade entre uma TV ou um monitor e o PC, proporcionando aos usuários a simplicidade plug and play.

  • Qualidade aprimorada de reprodução de vídeo

    A reprodução de vídeo nos sistemas operacionais atuais sofre problemas de qualidade, como problemas na imagem e pouca fidelidade de cor, quando comparada aos dispositivos eletrônicos. O WDDM oferece uma série de recursos para reduzir esses problemas.

    Primeiro, o WDDM permite ao Windows Vista e aos aplicativos em execução enfileirar os quadros a serem apresentados na GPU. Segundo, trabalhando intimamente com o recurso de filas, há um mecanismo de resposta que determina quando os quadros são apresentados. Juntos, os dois recursos podem melhorar imensamente a qualidade de reprodução de vídeo, mantendo constante sincronia entre as apresentações de áudio e vídeo e melhorando assim a reprodução e reduzindo substancialmente os problemas na imagem.

    Finalmente, os drivers do WDDM também dão suporte a uma melhor correção de cor (gama), por meio das APIs Direct3D9x e Direct3D10, que, por sua vez, exigem suporte da GPU.

  • Reprodução de vídeo em alta definição

    Conforme mencionado na seção sobre segurança, o WDDM oferece suporte à reprodução segura de conteúdo de vídeo em alta definição, uma exigência de muitos fornecedores de conteúdo.

Implantação

Uma grande frustração dos usuários finais do Windows são as atualizações de software que obrigam a reinicialização do sistema. Antigamente, os drivers gráficos exigiam a reinicialização após uma atualização. Com o Windows Vista e a GPU com suporte a WDDM, os usuários não precisam mais reinicializar o computador quando o driver gráfico é atualizado.

Recursos de mobilidade e potência

Também há benefícios para novos recursos de mobilidade no Windows Vista que dependem do WDDM.

  • Detecção automática de conexão de monitores e projetores

    Com o Windows XP, conectar um laptop a um projetor pode se revelar um processo de muitas etapas, em que cada etapa pode ser inteiramente diferente, dependendo do fabricante. No Windows Vista, o processo de conexão com um monitor ou projetor externo foi bastante simplificado. Quando um monitor ou projetor externo adicional é conectado ao adaptador de vídeo, o WDDM detecta o novo estado no mesmo instante e notifica automaticamente o módulo TMM (Gerenciador de mobilidade transitória), que é a tecnologia subjacente para o novo assistente para Vídeo Externo do Windows Vista. O assistente simplifica a extensão ou clonagem da área de trabalho para o segundo dispositivo de vídeo.

  • Suspensão "híbrida"

    O estado de Suspensão avançado do Windows Vista combina a ativação/desativação rápida da função Em Espera com a confiabilidade da função Hibernar. No Windows XP, Hibernar faz com que o conteúdo da memória do sistema seja salvo no disco rígido e o sistema seja desligado. Em Espera preserva o conteúdo da memória com uma pequena quantidade de energia, enquanto o restante do sistema é desligado.

    Todavia, no Windows Vista, a Suspensão "Híbrida" faz com que o conteúdo da memória do sistema seja salvo no disco rígido e o sistema seja colocado Em Espera ao mesmo tempo. Portanto, o sistema é capaz de ser reiniciado a partir da memória de sistema extremamente rápido — em menos de 2 segundos nos PCs capacitados com Windows Premium. No entanto, se a bateria se esvaziar completamente ou acontecer uma queda de energia que cause a perda do conteúdo da memória do sistema, o sistema poderá ser reiniciado a partir do disco rígido.

    Nota A Suspensão Híbrida requer WDDM.

Novas APIs gráficas

O WDDM implementa um gerenciamento de recursos gráficos muito mais funcional. Essa funcionalidade é crucial para o correto funcionamento das APIs Direct3D9x e Direct3D10 disponíveis a desenvolvedores.

  • Windows Presentation Foundation

    O Windows Presentation Foundation é a próxima geração da plataforma de desenvolvimento cliente do Windows para aplicativos de interface de usuário, documentos, gráficos, baseados na área de trabalho e conectados, bem como de conteúdo. Ele permite que um espectro mais amplo de desenvolvedores utilize a potência da GPU sem, necessariamente, ter conhecimento sobre construções de programação gráfica de nível baixo. Agora, é mais fácil para designers e desenvolvedores criar interfaces de usuário e conteúdo que proporcionam aos clientes uma experiência mais sofisticada e atraente. Por conseqüência, logo veremos uma nova geração de aplicativos, tanto locais quanto baseados na Web, a fornecer experiências mais interessantes, melhor visualização de dados e maiores avanços na experiência de leitura.

    Embora o Windows Presentation Foundation esteja disponível para as versões Windows XP SP2 e Server 2003, no Windows Vista, ele se beneficia do WDDM em termos de escalabilidade, já que se pode executar mais confiança vários aplicativos WPF ao mesmo tempo.

  • Simplicidade para jogos similar à de consoles

    A Direct3D10 é a nova API da Direct3D que habilita gráficos 3D de nova geração e computação paralela sofisticada. Essa API depende da funcionalidade de gerenciamento de recursos do WDDM para oferecer alguns de seus poderes mais expressivos. Os principais benefícios das APIs Direct3D10 são:

    • Modelo de programação na GPU generalizado   A eliminação dos limites de programação na GPU, possível em parte graças ao gerenciamento de recursos do WDDM, permite um modelo de programação na GPU mais potente, que pode ser usado tanto para gráficos 3D da próxima geração, quanto para uso com fins mais gerais que possa se beneficiar do processamento altamente paralelo, como o processamento de imagens.

    • Consistência nos recursos de hardware   Como em um console, todo hardware capacitado para Direct3D10 tem a mesma aparência para o desenvolvedor. Em outras palavras, bits de capacidade, que fazem a distinção entre as diferentes configurações de hardware executando D3D9.x, não existem. Isso permite uma implementação de software muito mais simples.

    • Efeitos visuais   Recursos como o Sombreador e Fluxo de Geometria ajudam o desenvolvedor a criar gráficos mais verossímeis e realistas, que vão além do que os consoles de próxima geração são capazes hoje.

    • Melhor desempenho do sistema   Um melhor desempenho é alcançado, porque o processamento pode ser descarregado com consistência quando solicitado pela CPU.

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