计算机底层是如何访问显卡的

作者：谷俊
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来源：知乎
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其实你可以把显卡想象成另外一台机器。那么控制另外一台机器的办法，就是往它的内存里面写指令和数据。往一块内存里面写东西的办法无非就几种，1, 用CPU去做，那么就是用MMIO(Memory Mapped IO)把'显存' map到CPU寻址空间，然后去读写，2, 用DMA控制器去做，这里面有系统自带的DMA控制器或者显卡带的，不管哪种你可以把DMA控制器再一次看作另外一台机器，那么其实就是向DMA控制器写指令让它帮你传一些东西到显存去，传的这些东西就是显卡要执行的命令和数据。显卡上的内存控制器，原来AGP的时候叫GART，现在不知道叫啥名了，另外SoC里面也有类似的概念，不过大多数SoC只有一个内存控制器，所以不分显存和内存。

把显卡想象成另外一台机器。它要工作，无非也是“程序存储”原理，上电之后，从特定的内存（显存）地址去取指，然后执行指令。显卡的工作逻辑比CPU简单多了，它一般就从一个环形buffer不断的取指令，然后执行，CPU就不断的去往环形buffer填指令。

很多时候同一个动作既可以用MMIO，也可以用DMA，比如flip framebuffer。只要把flip framebuffer的指令正确传到环形buffer就好了。但是MMIO需要CPU参与，传大数据的时候，打乱CPU GPU并行性，划不来。

驱动程序其实也是围绕着这件事情来做的，Vista以前，显卡的驱动全都是kernel mode执行的，因为只有kernel mode才能访问的物理地址，但是kernel mode的坏处是一旦有问题，系统就崩溃，而且kernel mode有很多局限性，比如没有C库支持，浮点运算很难，代价很大等等。所以Vista之后，显卡驱动都分两部分，kmd负责需要访问物理地址的动作，其他事情都放到umd去做，包括API支持等等。所以一个3D程序执行的过程是这样的，app generate command, call D3D runtime，D3D runtime call driver umd, driver umd system call driver kmd, kmd send command to ring buffer, graphic card exeute.

至于显卡驱动要完成什么部分，这个就是所谓HAL(hardware abstraction layer)层，也就是说HAL以下由厂商提供，以上就是操作系统自带，在HAL层以上，所有的操作都是统一的，比如画一个点，画一条线，驱动来对应具体的某一款芯片生成真正的命令，比如画点，需要0x9指令，把绝对坐标放到地址0x12345678（举例）。微软管的比较宽，umd, kmd都有HAL层，意思是即使kmd你也不能乱写，能统一的尽量统一，比如CPU GPU external fence读写同步机制就是微软统一做的。

流处理器就是说，那些处理器可以执行很多的指令，而不是就几个固定的功能，比如原来我把几个矩阵的乘法固定成一个操作（比如T&L单元），现在我把这个操作拆了，改成更基本的指令，比如，取矩阵元素，加乘，这样更灵活。不过你就得多费心思去组合这些指令了，组合这些指令有个高大上的名字，shader。至于为什么叫shader，越来越长了，不说了。