操作系统如何在屏幕上绘制窗口？

Question

我在使用和编程电脑多年后意识到，实际上在屏幕上绘制的软件堆栈对我来说大多是个谜。

我曾经研究过一些嵌入式LCD GUI应用程序，我认为这提供了一些关于简化堆栈的线索，但对于像Windows操作系统这样的整个画面仍然很模糊。

据我所知：

• 最低级别0是电子硬件（集成电路），其提供了一种数字接口把一个像素在屏幕的特定颜色或灰度灯罩上。界面在数据表中有记录，因此您可以知道如何切换数字线以按照您的需要转换任何像素。
• 下一级1是一个硬件驱动程序。这通常将硬件抽象为通用接口。像SetPixel（）等

• 下一级2是2D/3D图形库（其中我有限制部件/单屏幕体验）。较低级别似乎提供了表示屏幕像素的缓冲区或内存范围。图形库对此进行了抽象，以便您可以调用DrawText（“text”，10,10，“font”）等函数，并以正确的方式为您设置像素。

• 下一级将是操作系统的魔力。窗口/按钮/窗体/ WPF /等在内存中创建，然后路由到适当的驱动程序，同时也被引导到屏幕的某个部分？

但是，像Windows这样的东西真的有用吗？

• 我会假设GPU适合0级和1级之间的GPU。GPU直接驱动显示器上的像素，现在1级驱动程序是GPU驱动程序。有更多功能可用于启用GPU提供的附加功能。 （这是怎么回事？操作系统是否在3D空间中传递三角形阵列，并且GPU将其处理为3D透视图然后将其在屏幕上查看？）

尽管对我来说最大的神秘是当你进入窗口的一部分的事情。您可以将素描，视觉工作室和FPS游戏同时运行，并且能够在它们之间切换，或者在某些情况下可以将它们平铺在屏幕上，或者然后分布在多个屏幕上。这是如何跟踪和渲染的？其中每一个都必须在后台运行，操作系统将不得不说哪个图形管道应该连接到屏幕的哪一部分。 Windows如何说这部分屏幕是3D游戏，这部分是2D WPF应用程序？

最重要的是，你在一个应用程序中使用DirectX，而在另一个应用程序中使用Qt。我记得有多个运行相同技术的游戏或应用程序，因此如何运作？从我可以看到你将有应用程序 - >图形库（DirectX，WPF等） - >帧缓冲区 - > Windows导向器（在哪里和什么部分的屏幕应该这个帧缓冲区缩放） - >驱动程序？

最后，它只是切换位来指示哪个像素应该是什么颜色，但它是一个很大的切换位的方式来到那里的地狱。

如果我启动Visual Studio并创建一个基本的WPF应用程序，当我在屏幕上放下一个按钮并点击开始时，背景中会发生什么？我已经看到VS设计师放弃它，在XAML中创建它，我甚至在嵌入式系统中逐个像素地手动绘制东西，但之间会发生什么，所谓的三明治肉？

我已经使用过Android，iOS，Windows和Linux，它似乎是一种常见的功能，但我从未见过或听到过我如何在上面概述的背后的解释，我只有一个略有教育的猜测。

是否有人能够说明这是如何工作的？

Answer 1

VGA

假设86，VGA存储器是在一个标准的视频缓冲器地址中最低的1 MIB映射（0x000B8000用于文本模式和0x000A0000用于图形模式）。还有许多VGA寄存器可以控制卡的行为。有两种广泛使用的视频模式，模式0x12（16色640x480）和模式0x13（256色320x200）。模式0x12涉及用VGA寄存器交换平面（蓝色，绿色，红色，白色），而模式0x13涉及具有可使用VGA寄存器修改的256色调色板。

通常，依赖于VGA的操作系统会在引导时使用BIOS设置模式，或者在运行时（如果知道它在做什么）写入相应的VGA寄存器。要绘制到屏幕上，视频驱动程序要么只是写入视频内存（模式0x13），要么结合写入VGA寄存器（模式0x12）。

今天使用的大多数卡仍然（部分）与VGA兼容。

VBE

几年以后，VESA发明“VESA BIOS扩展”，这对显卡的标准接口，并允许更高的分辨率和更大的色彩深度。视频内存通过两种不同的方式暴露出来：分组模式和线性帧缓冲器。分区模式会将视频内存的一小部分暴露给低地址（0x000A0000），并且视频驱动程序在每次屏幕更新时都需要切换银行。线性帧缓冲器是一种更方便的解决方案，它可以将整个视频内存映射到非标准的高地址。

在引导期间，操作系统会调用VBE接口来查询支持的模式并设置最方便的模式，或者它将绕过VBE接口并直接写入所需的视频硬件寄存器（如果它知道它是什么这样做）。在分区模式和线性帧缓冲区之间，视频驱动程序会写入视频内存映射到的指定内存地址。

今天使用的大多数卡仍然（部分）VBE兼容。

现代视频接口

平时最现代化的视频接口，没有记录广为VGA和/或VBE。但是，视频内存仍然映射到一个地址，而硬件寄存器和/或缓冲区包含有关图形卡行为的可修改信息。不同之处在于接口不再标准化，现在的高级操作系统对每个显卡都需要不同的驱动程序。