Windows显示驱动（WDDM）编程初步（2）

欢迎转载【作者：张佩】【原文：http://www.yiiyee.cn/Blog/wddm2/】

第二部分专门只讲VIDPN。这是后面内容的基础。WDDM框架用VIDPN这个概念，来描述它所要处理的显示关系。

1. VIDPN

VIDPN的全称是Video Present Network，这个因为词组不太好翻译（直译可以是：视频提交网络，但颇为难听），所以一般都直接讲它的英文。

VIDPN是WDDM引入的概念，用来描述通过显卡设备（Adapter）建立的若干个显示源（Source）和若干个目标接口（Target）之间的关系。系统按照VIDPN所定义的方式，将一个或多个显示源（Source）通过显卡设备，输出到这些目标接口（Target）上。

1.1 基本元素


组成VIDPN网络的，是下面这样一些基本元素：

显示源（Source）：这是一系列可提交到显卡设备，并显示出来的图像内容。

源模式（Source Mode）：一个源（Source）需要一个模式（Mode）来定义它的属性，包括长、宽、颜色格式和比特深度（Bit Depth）等。

源模式集合（Source Mode Set）：一个源（Source）的所有模式（Mode）的集合（Set），称为源模式集合。网络中所有源的模式集合，称为集合集（Sets）。

目标（Target）：一系列物理接口，显卡设备通过它们来输出源内容。可以把它们理解成显卡上的多个接口。虽然不是很准确，但如果你愿意，也可以直接把它们理解成接在显卡设备上的若干个显示器设备——这里之所以讲不是很准确，因为从接口到最终显示，中间还存在显示器设备对图像内容的处理。作为显示器设备，另有元素Monitor Source Mode Set来标识它所能够支持的Mode。但KMDOD项目中并没有用到这个元素，它默认由显示设备自己处理Target Mode和Monitor Mode间关系。

目标模式（Target Mode）：一个目标（Target）也需要一个模式（Mode）来定义它的属性，它比源更复杂一些，除了长、宽、颜色格式和深度外，还有刷新率、缓冲区长度（Pitch）等。

目标模式集合（Source Mode Set）：一个目标（Target）的所有模式（Mode）集合（Set），就是源模式集合。网络中所有目标的模式集合，称为集合集（Sets）。

确定的模式（Pinned Mode）：在一条Path中，不管Source还是Target，在另一方Mode确定的情况下，选择出来的能够和另一方相匹配的一个模式，称为确定的模式（Pinned Mode）。Pin是钉子的意思，即表示板上钉钉的Mode。

路径（Path）：把一个源（Source）和一个目标（Target）之间的连接，称为一个路径（Path）。VIDPN网络中可能存在若干个Path，但至少有一个Path。

拓扑结构（Topology）：由若干个Path组成的结构，称为拓扑结构。

从MSDN文档中还会看到其它的一些元素，如输出设备（也就是显示设备或Monitor）、输出Codec（用作输出信号或格式转换）等，但上面这些却是组成VIDPN最基本和重要的元素。KMDOD项目中也并未用到此外的其它元素。

1.2 拓扑结构

下面介绍几个VIDPN网络拓扑结构的例子，都取自MSDN文档。

1.2.1 示例1

下面列几张VIDPN的拓扑图，解释其中所包含的上述基本元素。

VIDPN1

在上面的这个VIDPN的拓扑结构中，它有两个源（source1、source2）和三个目标（DVI、HD15、S-Video）。这是一种老式显卡，可以看到接口类型都比较旧。它提供了三种输出头，但只能支持两个输出源。这样一个源（Source1）输出到DVI口，另外一个源（Source2）以克隆模式（Clone Mode）同时输出到HD15和S-Video两个口上。两个源之间则是扩展模式（External Mode）。

Path1: Source 1-> DVI
Path2: Source2->HD15
Path3: Source2->S-video

三条Path组成了这个VIDPN的拓扑结构。每个Source 和Target都各有它们的mode 和mode set。在最后确定的时候，它们各自的pinned mode将被运用。

1.2.2 示例2

示例1中讲到一个VIDPN，两个Source对应到三个Target。那么Source和Target的数量各由什么决定的呢？从下面的图中可以清楚看到，Source的数量是由显卡内部的Codec决定的。

VIDPN2

显卡内部因为只有两个Codec，所以它仅能提供两条Surface处理的管线（PipeLine）。这和显卡本身的处理能力有关系。但是一个被处理过的Surface却可以被轻易地输出到多个Target，这一步仅仅需要少量的硬件连线就可以实现了。所以Target的数量，取决于显卡自己的设计和定位，提供比Source数量更多的Target头也是可以的。

1.3 元素关系

MSDN用下图解释了这么多VIDPN元素之间的对应关系。

VIDPN3

这是一张一对多和多对一的结构图。理解它们的关系很重要。总结而言，可把上面的四种关系翻译成下面的文字：

  1. 一个VIDPN，包含一个拓扑结构；一个拓扑结构包含若干条Path；每个Path中，包含一个Target和一个Source；一个Target只能在唯一的Path中；但一个Source可以存在于若干个Path中（Clone模式，见示例1）。
  1. 一个VIDPN包含多个Source Mode Set；一个Source Mode Set由多个Source Mode组成。
  1. 一个VIDPN包含多个Target Mode Set；一个Target Mode Set由多个Target Mode组成。
  1. 一个VIDPN包含多个Monitor source mode set；一个Monitor source mode set由多个Monitor source mode组成。

1.4 框架接口

前文我们介绍了框架和小端口之间的关系，框架对小端口提供了强有力的支持，胜过再造的力量。这个再造的力量，源自于框架向小端口所提供的各种接口。所谓接口，其实就是框架业已实现的种种功能，而以函数形式提供给小端口驱动使用。形式上，它们被封装在若干个不同的数据结构中。

框架为小端口驱动提供的各种接口，其组织上，基本是根据VIDPN的各主要元素来划分的，下面会看到。我们会对这些接口做简单介绍，并列出接口的详细定义。

1.4.1 框架回调接口

框架回调接口是唯一由WDDM框架直接向小端口驱动提供的接口。其它接口都是直接或间接地，可以通过框架回调接口获取到。之所以把这个接口称为框架回调接口，因为它提供的所有函数名称，都依照DxgkCbXXX这样的格式命名。Cb是Callback的缩写。在WDDM的语境中，我们把这个接口中的所有函数，称为由框架提供的回调函数。

这个接口由DDI函数DxgkDdiStartDevice在调用的时候，作为参数传入。它的定义如下：

typedef struct _DXGKRNL_INTERFACE {
  ULONG                                 Size;
  ULONG                                 Version;
  HANDLE                                DeviceHandle;
  DXGKCB_EVAL_ACPI_METHOD               DxgkCbEvalAcpiMethod;
  DXGKCB_GET_DEVICE_INFORMATION         DxgkCbGetDeviceInformation;
  DXGKCB_INDICATE_CHILD_STATUS          DxgkCbIndicateChildStatus;
  DXGKCB_MAP_MEMORY                     DxgkCbMapMemory;
  DXGKCB_QUEUE_DPC                      DxgkCbQueueDpc;
  DXGKCB_QUERY_SERVICES                 DxgkCbQueryServices;
  DXGKCB_READ_DEVICE_SPACE              DxgkCbReadDeviceSpace;
  DXGKCB_SYNCHRONIZE_EXECUTION          DxgkCbSynchronizeExecution;
  DXGKCB_UNMAP_MEMORY                   DxgkCbUnmapMemory;
  DXGKCB_WRITE_DEVICE_SPACE             DxgkCbWriteDeviceSpace;
  DXGKCB_IS_DEVICE_PRESENT              DxgkCbIsDevicePresent;
  DXGKCB_GETHANDLEDATA                  DxgkCbGetHandleData;
  DXGKCB_GETHANDLEPARENT                DxgkCbGetHandleParent;
  DXGKCB_ENUMHANDLECHILDREN             DxgkCbEnumHandleChildren;
  DXGKCB_NOTIFY_INTERRUPT               DxgkCbNotifyInterrupt;
  DXGKCB_NOTIFY_DPC                     DxgkCbNotifyDpc;
  DXGKCB_QUERYVIDPNINTERFACE            DxgkCbQueryVidPnInterface;
  DXGKCB_QUERYMONITORINTERFACE          DxgkCbQueryMonitorInterface;
  DXGKCB_GETCAPTUREADDRESS              DxgkCbGetCaptureAddress;
  DXGKCB_LOG_ETW_EVENT                  DxgkCbLogEtwEvent;
  DXGKCB_EXCLUDE_ADAPTER_ACCESS         DxgkCbExcludeAdapterAccess;
#if DXGKDDI_INTERFACE_VERSION >= DXGKDDI_INTERFACE_VERSION_WIN8)
  DXGKCB_CREATECONTEXTALLOCATION        DxgkCbCreateContextAllocation;
  DXGKCB_DESTROYCONTEXTALLOCATION       DxgkCbDestroyContextAllocation;
  DXGKCB_SETPOWERCOMPONENTACTIVE        DxgkCbSetPowerComponentActive;
  DXGKCB_SETPOWERCOMPONENTIDLE          DxgkCbSetPowerComponentIdle;
  DXGKCB_ACQUIRE_POST_DISPLAY_OWNERSHIP DxgkCbAcquirePostDisplayOwnership;
  DXGKCB_POWERRUNTIMECONTROLREQUEST     DxgkCbPowerRuntimeControlRequest;
  DXGKCB_SETPOWERCOMPONENTLATENCY       DxgkCbSetPowerComponentLatency;
  DXGKCB_SETPOWERCOMPONENTRESIDENCY     DxgkCbSetPowerComponentResidency;
#endif 
} DXGKRNL_INTERFACE, *PDXGKRNL_INTERFACE;

1.4.2 VIDPN接口

这个接口用来管理VIDPN相关的操作。可通过框架回调接口中的DxgkCbQueryVidPnInterface获取到，示例代码如下：

// 函数：IsSupportedVidPn
CONST DXGK_VIDPN_INTERFACE* pVidPnInterface;
NTSTATUS Status = m_DxgkInterface.DxgkCbQueryVidPnInterface(
                    pIsSupportedVidPn->hDesiredVidPn, //
                    DXGK_VIDPN_INTERFACE_VERSION_V1,
                    pVidPnInterface);

结构体定义如下：

typedef struct _DXGK_VIDPN_INTERFACE {
  DXGK_VIDPN_INTERFACE_VERSION               Version;
  DXGKDDI_VIDPN_GETTOPOLOGY                  pfnGetTopology;
  DXGKDDI_VIDPN_ACQUIRESOURCEMODESET         pfnAcquireSourceModeSet;
  DXGKDDI_VIDPN_RELEASESOURCEMODESET         pfnReleaseSourceModeSet;
  DXGKDDI_VIDPN_CREATENEWSOURCEMODESET       pfnCreateNewSourceModeSet;
  DXGKDDI_VIDPN_ASSIGNSOURCEMODESET          pfnAssignSourceModeSet;
  DXGKDDI_VIDPN_ASSIGNMULTISAMPLINGMETHODSET pfnAssignMultisamplingMethodSet;
  DXGKDDI_VIDPN_ACQUIRETARGETMODESET         pfnAcquireTargetModeSet;
  DXGKDDI_VIDPN_RELEASETARGETMODESET         pfnReleaseTargetModeSet;
  DXGKDDI_VIDPN_CREATENEWTARGETMODESET       pfnCreateNewTargetModeSet;
  DXGKDDI_VIDPN_ASSIGNTARGETMODESET          pfnAssignTargetModeSet;
} DXGK_VIDPN_INTERFACE;

1.4.3 Topology接口

这个接口用来管理VIDPN的拓扑结构。可以通过调用VIDPN接口的pfnGetTopology函数得到。示例代码如下：

    // 函数：IsSupportedVidPn
    D3DKMDT_HVIDPNTOPOLOGY hVidPnTopology;
    CONST DXGK_VIDPNTOPOLOGY_INTERFACE* pVidPnTopologyInterface;
    Status = pVidPnInterface->pfnGetTopology(
                pIsSupportedVidPn->hDesiredVidPn, 
                &hVidPnTopology, 
                &pVidPnTopologyInterface);

结构体定义如下：

typedef struct _DXGK_VIDPNTOPOLOGY_INTERFACE {
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_GETNUMPATHS               pfnGetNumPaths;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_GETNUMPATHSFROMSOURCE     pfnGetNumPathsFromSource;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_ENUMPATHTARGETSFROMSOURCE pfnEnumPathTargetsFromSource;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_GETPATHSOURCEFROMTARGET   pfnGetPathSourceFromTarget;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_ACQUIREPATHINFO           pfnAcquirePathInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_ACQUIREFIRSTPATHINFO      pfnAcquireFirstPathInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_ACQUIRENEXTPATHINFO       pfnAcquireNextPathInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_UPDATEPATHSUPPORTINFO     pfnUpdatePathSupportInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_RELEASEPATHINFO           pfnReleasePathInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_CREATENEWPATHINFO         pfnCreateNewPathInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_ADDPATH                   pfnAddPath;
  DXGKDDI_VIDPNTOPOLOGY_REMOVEPATH                pfnRemovePath;
} DXGK_VIDPNTOPOLOGY_INTERFACE;

1.4.4 Source Mode Set接口

这个接口用来管理VIDPN中的Source Mode Set。可以通过调用VIDPN接口的pfnAcquireSourceModeSet函数得到。示例代码如下：

//函数：CommitVidPn
CONST DXGK_VIDPNSOURCEMODESET_INTERFACE* pVidPnSourceModeSetInterface = NULL;
Status = pVidPnInterface->pfnAcquireSourceModeSet(
pCommitVidPn->hFunctionalVidPn,
       pCommitVidPn->AffectedVidPnSourceId,
       &hVidPnSourceModeSet,
       &pVidPnSourceModeSetInterface);

结构体定义如下：

typedef struct _DXGK_VIDPNSOURCEMODESET_INTERFACE {
  DXGKDDI_VIDPNSOURCEMODESET_GETNUMMODES           pfnGetNumModes;
  DXGKDDI_VIDPNSOURCEMODESET_ACQUIREFIRSTMODEINFO  pfnAcquireFirstModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNSOURCEMODESET_ACQUIRENEXTMODEINFO   pfnAcquireNextModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNSOURCEMODESET_ACQUIREPINNEDMODEINFO pfnAcquirePinnedModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNSOURCEMODESET_RELEASEMODEINFO       pfnReleaseModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNSOURCEMODESET_CREATENEWMODEINFO     pfnCreateNewModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNSOURCEMODESET_ADDMODE               pfnAddMode;
  DXGKDDI_VIDPNSOURCEMODESET_PINMODE               pfnPinMode;
} DXGK_VIDPNSOURCEMODESET_INTERFACE;

1.4.5 Target Mode Set 接口

这个接口用来管理VIDPN中的Target Mode Set。可以通过调用VIDPN接口的pfnAcquireTargetModeSet函数得到。示例代码如下：

// 函数：EnumVidPnCofuncModality
CONST DXGK_VIDPNTARGETMODESET_INTERFACE* pVidPnTargetModeSetInterface = NULL;
Status = pVidPnInterface->pfnAcquireTargetModeSet(
                   pEnumCofuncModality->hConstrainingVidPn,
                   pVidPnPresentPath->VidPnTargetId,
                   &hVidPnTargetModeSet,
                   &pVidPnTargetModeSetInterface)

结构体定义如下：

typedef struct _DXGK_VIDPNTARGETMODESET_INTERFACE {
  DXGKDDI_VIDPNTARGETMODESET_GETNUMMODES           pfnGetNumModes;
  DXGKDDI_VIDPNTARGETMODESET_ACQUIREFIRSTMODEINFO  pfnAcquireFirstModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTARGETMODESET_ACQUIRENEXTMODEINFO   pfnAcquireNextModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTARGETMODESET_ACQUIREPINNEDMODEINFO pfnAcquirePinnedModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTARGETMODESET_RELEASEMODEINFO       pfnReleaseModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTARGETMODESET_CREATENEWMODEINFO     pfnCreateNewModeInfo;
  DXGKDDI_VIDPNTARGETMODESET_ADDMODE               pfnAddMode;
  DXGKDDI_VIDPNTARGETMODESET_PINMODE               pfnPinMode;
} DXGK_VIDPNTARGETMODESET_INTERFACE;

1.4.6 Monitor接口

除了上面这些由框架提供的常用接口外，还有一些未曾在KMDOD项目中用到的接口：

Monitor接口：DXGK_MONITOR_INTERFACE

这个接口可通过框架回调接口中的DxgkCbQueryMonitorInterface回调函数获取。通过这个接口，可以获取Monitor的Monitor Source Mode Set接口和刷新率范围。它有两个版本，版本2中增加了函数，用来获取Windows操作系统为Monitor增加的必须支持的Mode。

Monitor Source Mode Set接口：DXGK_MONITORSOURCEMODESET_INTERFACE

这个接口可通过Monitor接口中的接口函数pfnAcquireMonitorSourceModeSet获取，它提供了操作显示器Mode相关的函数。

2. 版本历史

V1.0：2013/8/5

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《Windows显示驱动（WDDM）编程初步（2）》有31个想法

    1. HVIDPN句柄是以输入参数的形式，由Dxgkrnl传给到显卡驱动的。比如下面的DDI：

      NTSTATUS APIENTRY DxgkDdiIsSupportedVidPn(
      _In_ const HANDLE hAdapter,
      _Inout_ DXGKARG_ISSUPPORTEDVIDPN *pIsSupportedVidPnArg
      );

      pIsSupportedVidPnArg所指向的结构体中就包含了HVIDPN句柄。

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        1. hAdapter是另一个输入参数，你应该能看到它的in修饰符。
          在KMDOD的例子中，hAdapter被强制转换成BASIC_DISPLAY_DRIVER对象指针。

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  3. 博主，请问下，假如我没有3D的要求，仅用小端口驱动是否能够完成显示？也就是说没有加载user-model display driver的情况下是否也能正常使用WDDM？先谢啦

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    1. 你的问题比较奇怪，你有什么大用场吗？

      看你使用的系统，在Vista和Win7系统上，还可以使用GDI画桌面。在没有user mode driver的情况下，桌面显示还是没问题的，但不能跑D3D程序。

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  4. 博主，我想问，WDDM的miniport需要配合user-modle display driver 一起使用吗？我的User-model 驱动仅仅运行了openAdapter（） 随后就跑去执行closeAdapter()了，理应是由D3Druntime 先调用CreateDevice。不过，小端口驱动方面则是运行正常。不知道原因所在？谢啦….

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    1. 主要看系统。Vista以后有DWM进程管理桌面，DWM使用的是D3D9的接口，所以如果要让DWM跑的话，就一定要有user mode driver。DWM在Win8以前是可以禁用的，如果被禁用，explorer和一般程序可以通过GDI接口直接画桌面。但是Win8以后，DWM无法禁用，只能通过DWM画桌面内容，如果没有user mode driver（简称UMD），或者UMD有问题的话，就看不到桌面了。

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    2. 你应该是在Vista或Win7上测试的。你自己写了UMD，可以调试一下DWM进程，我想它会执行失败，最后结束进程的。但我没有试过。

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      1. 我试了下，主要有两种情况。第一种，是我的user-model驱动没有被加载，但是DWM正常运行。第二种，user-model的DLL被dwm加载，不过也是openAdapter() 后 closeAdapter()，但DWM并未出现异常。但是3D的东西均无法运行。

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        1. 你是怎么判断UMD没有被加载的？应该用windbg调试器attach到DWM进程上去，然后用lm列举所有模块，查看有没有D3D的DLL；在适当的DDI上设置断点，并检查是否被调用。

          你可以发邮件给我，告诉我详细的运行环境。

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  5. 写一个PCI-E总线过滤驱动，虚拟一个显卡设备，然后给这个设备安装微软的KMDOD驱动，该虚拟显卡能不能正常工作输出一个屏（当然，不能输出到显示器）。我这个思路可不可行？

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    1. 虚拟显卡设备，不必通过PCI总线或总线过滤驱动，只要是通过向系统报告一个外部设备，然后为它安装你的驱动即可。通过旧的Add Hardware Wizard就可以为你的虚拟设备添加驱动程序。

      如果你想为虚拟设备安装KMDOD驱动，首先你可能要改inf文件（如果不是通过Add hardware wizard添加），其次驱动程序也要改，因为KMDOD只能用在作为POST的显卡上，虚拟显卡是不能工作的（但加载也许能成功）。

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    1. WDDM不支持Mirror映射；Mirror驱动是XP时代的东西。这是WDDM被诟病的一个缺点，不知道后续版本会怎样。

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  7. 大神您好！我写了个显卡驱动UMD的空壳，只有OpenAdapter这个函数，在里面输出日志到文件。安装好后却没看到日志。难道入口函数不是OpenAdapter么？

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  8. 您好！我现在需要开发一个windows xp的双屏显示驱动。现在已经有了完整的单屏的驱动，需要再次基础上加上另一个通道。DDK文档中有一些关于DualView的说明，但是不是很全面。对于屏幕变化的具体调用过程不是很清楚，DDK中有说通过IOCTL_VIDEO_SWITCH_DUALVIEW这个IO控制码来传递。对此，您有什么样的建议呢？

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      1. Nie piszesz że instytucji finansowych nie stać na dofinansowanie bo nigdy nie będą mogły go w takiej skali wraz z odsetkami oddać,pozostaje nacjonalizacja-wtedy wzrośnie zadłużenie państwa i koło problemów się zamyka.

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  11. 大神，您好！
    我们要在Win10里面开关HDMI信号通道（希望通过一个小插件BUTTON自如切换调用），以便发送一个电平信号给主板BIOS，进而能让我们微型投影仪的光机供电系统单片机的引脚感知到变化，然后打开电源供电或关闭光机。请问，如何才能实现？需要进入什么路径调用哪个函数？

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  12. 嗨，您好，虚拟多个显示器，如何通过VidPN管理器设计路径将桌面扩展到多个监视器？？谢谢！

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