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Display driver model

Veröffentlicht: 02. Okt 2006
Von Microsoft Corporation

Beim Windows-Anzeigetreibermodell (Windows Display Driver Model, WDDM) handelt es sich um eine neue Architektur für Anzeigetreiber, die in Windows Vista unterstützt wird. Diese Anzeigearchitektur ist das Ergebnis der Überarbeitung der Windows XP-basierten Anzeigearchitektur. Benutzer profitieren damit von einer leistungsstärkeren und verlässlicheren Desktopanzeige. Zudem unterstützt die Architektur neue Szenarios, Grafikeffekte und Anwendungen.

WDDM ermöglicht außerdem die Wiedergabe von Videoinhalten in einer Qualität, die mit der Wiedergabequalität üblicher Unterhaltungselektronikgeräte konkurrieren kann. Da nämlich der Anschluss an externe Monitore problemlos möglich ist, lassen sich geschützte HD-Videos wiedergeben, und die Qualität der Videowiedergabe insgesamt wird erhöht. Zum ersten Mal ist unter Windows GPU-Multitasking (Graphics Processing Unit, Grafikprozessor) möglich. Dies bedeutet, dass Benutzer mehrere GPU-intensive Anwendungen gleichzeitig ausführen können.

Schließlich verbessert WDDM auch das Spielerlebnis bei PC-Spielen durch Vereinfachung des verallgemeinerten GPU-Programmiermodells für Entwickler. Die Beibehaltung der Konsistenz in den Hardwarefunktionen schlägt sich in einem PC-Spielerlebnis nieder, das selbst das der neuesten Konsolen in den Schatten stellen wird.

Das neue Anzeigetreibermodell ist ein wesentlicher Bestandteil der neuen Desktoperfahrung. Daher müssen Windows Vista-Computer mit der Bezeichnung „Premium Ready“ mit einer GPU ausgestattet sein, die WDDM unterstützt. Auch für künftige Windows Vista Logo-Programme ist eine solche GPU erforderlich. (7 gedruckte Seiten)

Auf dieser Seite

Einführung Einführung
Allgemeine WDDM-Vorteile Allgemeine WDDM-Vorteile
Desktopfenster-Manager Desktopfenster-Manager
Videoverbesserungen Videoverbesserungen
Bereitstellung Bereitstellung
Mobilitäts- und Energiefeatures Mobilitäts- und Energiefeatures
Neue Grafik-APIs Neue Grafik-APIs

Einführung

Das Tempo der Leistungsverbesserungen bei GPUs ist weit höher, als die Prognosen des Mooreschen Gesetzes hätten vermuten lassen. Nach Meinung von Experten entspricht die Geschwindigkeit der GPU-Verbesserungen den Vorhersagen des „Mooreschen Gesetzes hoch drei“. Dies kommt in etwa einer Verdopplung der Grafikprozessorleistung im Jahresrhythmus gleich. Genutzt wird die enorme Grafikverarbeitungsleistung bislang vor allem für Videospiele, umfangreiche Multimedia-Suites, wie z. B. Anwendungen zur Videobearbeitung oder für Spezialeffekte, sowie für technische High-End-Programme wie CAD-Anwendungen. Daher liegt das Leistungspotenzial der GPU, obwohl praktisch jeder moderne PC mit einer GPU ausgestattet ist, bei den täglich anfallenden Aufgaben meist brach. Folglich wird GPUs bei der Entwicklung von PCs nicht die höchste Priorität eingeräumt.

Windows Vista macht sich die Leistungsfähigkeit der GPU nicht nur für Spiele zunutze. Zunächst einmal kommt der GPU in Windows Vista die Aufgabe zu, allen Kunden ein insgesamt besseres Desktoperlebnis zu bieten. Die Windows-Infrastruktur für die Videowiedergabe nutzt WDDM zur Wiedergabe von HD-Video (High-Definition-Video), und zwar in einer Qualität, die der Videowiedergabequalität der neuesten Unterhaltungselektronikgeräte ebenbürtig ist. Außerdem gibt es eine Reihe weiterer wichtiger Anwendungen, die nun Gebrauch vom Potenzial der GPU machen, beispielsweise die neue Windows-Fotogalerie. Diese intensivere Nutzung der GPU, vom Betriebssystem und gleichzeitig von mehreren Anwendungen, wird durch WDDM ermöglicht.

In diesem Artikel werden die allgemeinen und besonderen Vorteile von WDDM untersucht. Folgende Aspekte werden betrachtet:

  • Allgemeine WDDM-Vorteile

  • Desktopfenster-Manager

  • Videoverbesserungen, u. a. Protected Video Playback (PVP)

  • Bereitstellung

  • Mobilität und Energie

  • Neue Grafik-APIs

Allgemeine WDDM-Vorteile

  • Stabilität

    Anzeigetreiber, die groß und komplex sind, können in Windows XP eine bedeutende Ursache für Systeminstabilität sein. Diese Treiber werden ausschließlich im Kernelmodus ausgeführt (d. h. tief im Systemcode). Daher wird durch ein einziges Problem im Treiber häufig der Neustart des gesamten Systems erzwungen. Den Daten der Absturzanalyse zufolge, die während der Ausführung von Windows XP gesammelt wurden, sind Anzeigetreiber für bis zu 20 Prozent aller Bluescreens verantwortlich. Daher bestand bei Windows Vista eines der wichtigsten Ziele darin, die Zahl solcher Abstürze zu reduzieren, Kunden damit ein zuverlässigeres Desktoperlebnis zu ermöglichen und gleichzeitig die Kosten für den Partnersupport zu verringern. Da einige gängige Features erfordern, dass die Grafikpipeline rund um die Uhr effizient arbeitet, ist Zuverlässigkeit nun sogar noch wichtiger. Ein Beispiel für ein solches Feature ist der neue Desktopfenster-Manager, der die offenen Anwendungsfenster darstellt. Von den Vorzügen einer stabilen und beim Neuzeichnen fehlerfreien Desktopanzeige profitieren mit Sicherheit nicht nur Nutzer von PC-Spielen, sondern alle Benutzer.

    Auf der technischen Ebene umfassen WDDM-Anzeigetreiber zwei Komponenten: einen vereinfachten Kernelmodustreiber (Kernel Mode Driver, KMD) und einen Benutzermodustreiber, der für den Großteil der intensiven Berechnungen zuständig ist. Mit diesem Modell wird der größte Teil des Codes aus dem Kernelmodus ausgelagert. Das heißt, der Kernelmodusabschnitt übernimmt nun die alleinige Verantwortung für Funktionen auf niedrigerer Ebene, während der Benutzermodusabschnitt für kompliziertere Funktionen zuständig ist. So ermöglicht er beispielsweise die Umwandlung von API-Konstrukten auf höherer Ebene in direkte GPU-Befehle unter Beibehaltung der Anwendungskompatibilität. Dadurch wird die Chance für das Auftreten eines Bluescreens erheblich reduziert, und die meisten Probleme in Verbindung mit dem Grafiktreiber betreffen schlimmstenfalls nur eine einzige Anwendung.

    WDDM bietet außerdem Fehlertoleranz für Fälle, in denen der Anzeigetreiber hängen bleibt. Windows Vista kann daher Systemhänger erkennen und den Anzeigetreiber erneut starten, ohne dass ein Systemneustart erforderlich wäre.

    Darüber hinaus wurden Anzeigetreiber in Windows Vista wesentlich vereinfacht: Es ist nicht länger erforderlich, Code für die Unterstützung verschiedener Gerätetreiberschnittstellen einzufügen, die im Laufe der Jahre eingeführt wurden. Folglich implementiert Windows Vista nur eine einzige Schnittstelle, stellt jedoch gleichzeitig sicher, dass alle älteren Treiber erkannt werden und optimal funktionieren.

  • Leistung

    Beim Start einer Anwendung, die die GPU benötigt, wird die Steuerung anderen Anwendungen, die die GPU zu diesem Zeitpunkt nutzen, entrissen. Dies geschieht deshalb, weil die gleichzeitige gemeinsame Nutzung der GPU durch mehrere Anwendungen nicht möglich ist. In Windows Vista wird die GPU für zahlreiche gemeinsame Aktivitäten eingesetzt; dazu gehören beispielsweise die grundlegende Fensterverwaltung und das Rendern von Video. Außerdem enthält Windows Presentation Foundation (Teil der .NET Framework 3.0-Entwicklungsplattform) neue APIs, mit deren Hilfe Entwickler die GPU problemlos dazu nutzen können, nicht spielebezogene Anwendungen mit umfassenden benutzerfreundlichen Oberflächen zu entwerfen. Da alle diese Anwendungen und Features von der GPU abhängig sind, ist Bedeutung. das GPU-Multitasking von entscheidender

    WDDM ermöglicht es mehreren Anwendungen, die GPU gleichzeitig zu nutzen. Erreicht wird dies durch Implementierung der folgenden Komponenten:

    • GPU-Speichermanager: vermittelt die Zuweisung von Videospeicher

    • GPU-Planer: stellt einen Zeitplan für diverse GPU-Anwendungen nach Priorität auf

    Dank dieser Technologien müssen Anwendungen die GPU nicht mehr an andere Programme abtreten, wenn eine andere Anwendung gestartet wird, die die GPU benötigt. Stattdessen wird die Nutzung der GPU effizienter geplant.

  • Sicherheit

    Sicherheit ist auf allen Plattformen, die Multitasking unterstützen, ein höchst wichtiges Anliegen. In einem sicheren Betriebssystem muss gewährleistet sein, dass Ressourcen, die von einer Anwendung genutzt werden, von anderen isoliert sind. Diese Isolation von Anwendungen ist Bedingung für die Wiedergabe von geschützten HD-Inhalten.

    WDDM ermöglicht die Isolation über das Sicherheitsmodell, das in den GPU-Speichermanager und -Planer integriert ist. Da aktuellen Windows XP-Anzeigetreibern diese Fähigkeit fehlt, ist damit nur die Wiedergabe bestimmter Arten von HD-Inhalten möglich.

Desktopfenster-Manager

Der Desktop-Fenstermanager ist eine Komponente in Windows Vista, mit der die Anzeige und Aktualisierung der Fenster auf dem Desktop gesteuert wird. Um in früheren Windows-Versionen auftretende Zeichnungsartefakte zu vermeiden, bei denen Anwendungen asynchron direkt auf den Bildschirm gezeichnet werden, setzt der Desktopfenster-Manager Bildschirminhalte, wie z. B. Anwendungsfenster, erst in einem nicht sichtbaren Puffer zusammen, bevor er sie in der Benutzeranzeige darstellt. Im Wesentlichen ist der Desktopfenster-Manager eine Direct3D-Anwendung, die sofort nach dem Einschalten des Computers aktiviert wird. Daher sind Kernfunktionen des WDDM, wie das Ermöglichen der gemeinsamen Nutzung von GPU-Ressourcen und -Verarbeitung, in diesem Szenario unentbehrlich. Für Windows Vista ergeben sich aus der Verwendung des Desktopfenster-Managers zwei Vorteile: eine allgemeine Verbesserung der Qualität und ein fesselndes Benutzererlebnis. Wie weiter unten erläutert wird, trägt WDDM wesentlich dazu bei, all diese Fortschritte zu ermöglichen. Der Desktopfenster-Manager bildet die Grundlage für die spezielle Windows Vista-Umgebung, Windows Aero.

  • Qualität

    In Windows XP aktualisieren Anwendungen ihre Fenster direkt, wenn dies vom Betriebssystem gefordert wird. Diese Anforderungen können hinsichtlich der Aktualisierungsrate des Bildschirms oder anderer zum aktuellen Zeitpunkt ausgeführten Aktualisierungen asynchron ausgeführt werden. Die Folge dieser Anforderungen ist, dass Fenster verzerrt und inkorrekt oder langsam gezeichnet werden. Durch den Stil der Fensterdarstellung des Desktopfenster-Managers werden Verzerrungsartefakte eliminiert, was eine Desktopanzeige hoher Qualität sichert. Der Endbenutzer profitiert damit von einer höheren Reaktionsfähigkeit des Systems und einer saubereren Anzeige.

  • Windows Aero

    Der Desktopfenster-Manager ermöglicht außerdem das Arbeiten mit der neuen Windows Aero-Umgebung. Aero ist die leistungsfähigste und beste Desktopoberfläche von Windows Vista. Sie erfordert einen PC mit einer entsprechenden Grafikkonfiguration und Unterstützung für WDDM. Außerdem muss der PC für die Produkteditionen Windows Vista Ultimate, Windows Vista Enterprise, Windows Vista Business oder Windows Vista Home Premium ausgestattet sein. Der Desktopfenster-Manager enthält eine Reihe von Features, die dem Endbenutzer einfachere und direktere Methoden für die Suche nach Fenstern auf dem Desktop und den Zugriff darauf an die Hand geben. Die Funktionsweise dieser Features ist abhängig davon, dass Anwendungen und Desktopfenster-Manager den Grafikspeicher gemeinsam nutzen können. Dies wird von WDDM ermöglicht. Mit anderen Features wie Windows Flip und Windows Flip 3D können Sie Fenster auf dem Desktop sicher verwalten. Damit lassen sich die Fenster auf visuell eindrucksvolle und gleichzeitig bequeme Weise anzeigen. Informationen zu Hardwareanforderungen finden Sie unter Windows Vista Upgrade Advisor Beta; Informationen zur Kompatibilität finden Sie unter Windows Vista Capable und Premium Ready PCs.

    Dank des Desktopfenster-Managers können Endbenutzer von Windows Aero folgende Funktionen nutzen:

    • Live-Miniaturansichten in der Taskleiste für geöffnete und minimierte Anwendungen.

    • Windows Flip (Alt + TAB) und Windows Flip 3D (Windows-Taste + TAB): zwei neue, optisch wirkungsvolle Methoden zur Verwaltung von Fenstern geöffneter Anwendungen.

    • DPI-Skalierung: Unterstützung für höhere DPI-Bildschirmauflösung, sodass Text unabhängig von der Auflösung des Monitors zuverlässig angezeigt wird.

  • Visuelle Aktualisierung

    Ein auffälliges neues Element in Windows Aero ist das professionell aussehende, transparente Glasdesign mit raffinierten Effekten wie dynamischen Reflexionen und flüssigen Animationen. Visuelle Elemente wie der Glaseffekt basieren auf der Direct3D-Pixelshaderpipeline und der Virtualisierung der GPU durch WDDM. Hinter der neuen grafischen und visuellen Ausgereiftheit verbirgt sich jedoch eine Windows Aero-Desktopumgebung, die so reibungslos und professionell funktioniert, wie ihr Äußeres verspricht, und dem Benutzer das einfache Arbeiten in einer hochwertigen Oberfläche ermöglicht.

Videoverbesserungen

Eines der Ziele von Windows Vista besteht darin, eine Videowiedergabequalität zu erreichen, die man gemeinhin von gängiger Unterhaltungselektronik erwartet. Da die Videowiedergabe von der Treiberarchitektur abhängig ist, kann Windows Vista mit seinem aktualisierten Treibermodell eine Reihe von Verbesserungen bei der Videowiedergabe erzielen.

  • Einfache TV-Out-Unterstützung

    Der Anschluss eines PCs an den Fernseher kann den Normalverbraucher vor Probleme stellen. Unterhaltungselektronikgeräte lassen sich ganz einfach an den Fernseher anschließen, bei einem PC ist dies jedoch ohne umfassende Konfiguration nicht möglich. Für die Einrichtung werden oftmals ein zusätzlicher Monitor und Produkte von Drittanbietern benötigt. Mit WDDM entfallen Verbindungsprobleme zwischen Fernseher oder Monitor und PC; der Anschluss ist ganz einfach über Plug & Play möglich.

  • Verbesserte Videowiedergabequalität

    Bei der Videowiedergabe auf aktuellen Betriebssystemen können Probleme wie übermäßige Störimpulse und schlechte Farbtreue auftreten, weshalb die Wiedergabequalität nicht mit der von Unterhaltungselektronikgeräten vergleichbar ist. WDDM bietet eine Reihe von Funktionen zur Verringerung dieser Probleme.

    Erstens wird es Windows Vista und ausgeführten Anwendungen durch WDDM ermöglicht, Frames in eine Warteschlange zu stellen, die in der GPU dargestellt werden sollen. Zweitens gibt es einen Feedbackmechanismus, der eng mit der Warteschlangenfunktion zusammenarbeitet und bestimmt, wann Frames dargestellt werden. Beide Features zusammen bewirken eine deutliche Verbesserung der Videowiedergabequalität, indem sie den Synchronismus zwischen Audio- und Videodarstellungen konstant beibehalten, so die Videowiedergabe verbessern und die Störimpulse wesentlich reduzieren.

    Schließlich bieten WDDM-Treiber auch Unterstützung für bessere Farbkorrekturen (Gamma) über die Direct3D9x- und Direct3D10-APIs. Dafür ist es wiederum erforderlich, dass die GPU diese APIs unterstützt.

  • HD-Videowiedergabe

    Wie bereits weiter oben im Abschnitt zur Sicherheit erwähnt, bietet WDDM Unterstützung für die sichere Wiedergabe von HD-Videoinhalten, eine Forderung vieler Inhaltsanbieter.

Bereitstellung

Einer der lästigsten Aspekte für Windows-Endbenutzer sind Softwareupdates, die einen Neustart des Systems erzwingen. Grafiktreiber erforderten früher nach einem Update stets einen Neustart. Mit Windows Vista und einer GPU, die WDDM unterstützt, müssen Benutzer nun keinen Neustart mehr vornehmen, wenn der Grafiktreiber aktualisiert wird.

Mobilitäts- und Energiefeatures

Des Weiteren gibt es WDDM-Vorteile für neue Mobilitätsfeatures in Windows Vista, die von WDDM abhängig sind.

  • Hot-Plug-Erkennung von Bildschirmen und Projektoren

    Mit Windows XP kann das Anschließen eines Laptops an einen Projektor ein mehrstufiger Prozess sein, dessen einzelne Schritte je nach Laptophersteller vollkommen unterschiedlich sein können. Mit Windows Vista wird der Vorgang des Anschließens an einen externen Bildschirm oder Projektor wesentlich vereinfacht. Wenn ein zusätzlicher externer Bildschirm oder Projektor an den Bildschirmadapter angeschlossen wird, erkennt WDDM den neuen Status sofort und benachrichtigt automatisch das TMM-Modul (Transient Mobility Manager), eine Technologiekomponente, die dem neuen Windows Vista-Assistenten für externe Displays zugrunde liegt. Mit dem Assistenten lässt sich der Desktop ganz einfach auf das zweite Anzeigegerät erweitern bzw. klonen.

  • Hybrider Standbymodus

    Der erweiterte Standbymodus in Windows Vista kombiniert die schnelle Aktivierung/Deaktivierung der Standbyfunktion mit der Zuverlässigkeit der Ruhezustandsfunktion. In Windows XP führte der Ruhezustand dazu, dass der Inhalt des Systemspeichers auf der Festplatte gespeichert und das System ausgeschaltet wurde; der Standbyzustand bewirkte die Beibehaltung des Speicherinhalts mit geringem Energieaufwand, während die übrigen Systemkomponenten ausgeschaltet wurden.

    In Windows Vista dagegen führt der „hybride“ Standbymodus dazu, dass der Inhalt des Systemspeichers auf Festplatte gespeichert und das System gleichzeitig in den Standbymodus versetzt wird. Daher ist das System in der Lage, den Systemspeicher extrem schnell wiederherzustellen: in weniger als 2 Sekunden im Fall von Windows Premium-fähigen PCs. Wenn jedoch der Akku völlig erschöpft ist oder der Inhalt des Systemspeichers aufgrund eines Stromausfalls verloren geht, kann das System die Verarbeitung von der Festplatte aus fortsetzen.

    Hinweis   Der hybride Standbymodus erfordert WDDM.

Neue Grafik-APIs

WDDM implementiert eine wesentlich funktionellere Verwaltung der grafischen Ressourcen. Diese Funktion ist unerlässlich für das korrekte Arbeiten der Direct3D9x- und Direct3D10-APIs, die Entwicklern zur Verfügung stehen.

  • Windows Presentation Foundation

    Windows Presentation Foundation ist die neue Generation der Windows-Client-Entwicklungsplattform für Benutzeroberfläche, Dokumente, Grafiken, desktopbasierte und vernetzte Anwendungen sowie Inhalte. Damit können mehr Entwickler das Leistungspotenzial der GPU nutzen, ohne unbedingt über Kenntnisse zu Konstrukten der Grafikprogrammierung verfügen zu müssen. Für Designer und Entwickler ist es nun einfacher, Benutzeroberflächen und Inhalte zu entwerfen, die Kunden ein vielfältigeres und interessanteres Benutzererlebnis bieten. So wird eine neue Generation von Anwendungen entstehen, lokal und webbasiert, die Benutzern eine interessantere Umgebung, eine bessere Visualisierung von Daten und umfangreichere Verbesserungen der Leseerfahrung zu bieten haben.

    Windows Presentation Foundation steht zwar für Windows XP SP2 und Server 2003 zur Verfügung, profitiert jedoch unter Windows Vista hinsichtlich der Skalierbarkeit von WDDM, da sich mehrere WPF-Anwendungen gleichzeitig mit größerer Zuverlässigkeit ausführen lassen.

  • Einfachheit wie bei einer Spielekonsole

    Direct3D10 ist die neue Direct3D-API, die 3D-Grafiken der nächsten Generation sowie anspruchsvolle parallele Rechenoperationen ermöglicht. Diese API verdankt Teile ihrer Ausdruckskraft der WDDM-Funktion zur Ressourcenverwaltung. Hauptvorteile der Direct3D10-APIs:

    • Verallgemeinertes GPU-Programmiermodell   Die Beseitigung der Beschränkungen der GPU-Programmierung (zum Teil bewirkt durch die WDDM-Ressourcenverwaltung) ermöglicht ein leistungsstärkeres GPU-Programmiermodell, das sowohl für 3D-Grafiken der nächsten Generation als auch für allgemeinere Zwecke eingesetzt werden kann, die von Prozessen mit ausgeprägter Parallelverarbeitung wie Bildverarbeitung profitieren.

    • Konsistenz der Hardwarefunktionen   Genau wie in einer Konsole sehen alle Direct3D10-fähigen Hardwarekomponenten für den Entwickler identisch aus. Mit anderen Worten: Es existieren keine Funktionsbestandteile, durch die sich verschiedene Hardwarekonfigurationen mit D3D9.x voneinander unterscheiden. Damit wird eine wesentlich einfachere Implementierung der Software ermöglicht.

    • Visuelle Effekte   Features wie Geometrieshader und Stream-Out unterstützen Entwickler dabei, naturgetreuere und realistischere Grafiken zu erstellen, die die Möglichkeiten von modernen Konsolen der nächsten Generation in den Schatten stellen.

    • Bessere Systemleistung   Da die Verarbeitung, wenn die GPU dies erfordert, konsistent ausgelagert werden kann, wird eine Leistungsverbesserung erreicht.


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