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Direct3D和OpenGL指令在图形卡中是如何处理的？

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我正在努力理解GPU的工作方式，并且对于它们如何处理像Direct3D或OpenGL这样的高级API感到困惑。很常见看到显卡广告声称支持Direct3D和OpenGL硬件加速。这是否意味着它们直接在硬件中处理Direct3D和OpenGL指令？
我还没有找到明确的证据，无论是它们被编译成GPU可以处理的汇编表示法，还是有任何转换过程。如果有这样的转换，那么谁会执行？是软件库（Direct3D/OpenGL），驱动程序还是GPU本身？
同样，在哪里定义了图形管线？在GPU硬件、驱动程序还是软件库中？这让我特别困惑，尤其是可编程管线的概念。
有没有好的资源可以找到这些详细信息？
3个回答
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您提出了一个非常广泛且复杂的问题。实际上，您提出了几个广泛且复杂的问题。

管理硬件操作的软件称为硬件的“驱动程序”。自然地，对于图形硬件，这称为“图形驱动程序”。像所有驱动程序一样，图形驱动程序实际上是操作系统（OS）中可安装的部分；操作系统使图形驱动程序能够执行其工作并与硬件交互。两者相辅相成。

实际上有两种D3D或OpenGL（以下简称“API”）调用：那些与驱动程序交互的和那些不需要交互的。每个实际绘制某些内容的调用都需要（最终）与驱动程序交互，但设置稍后绘制调用的调用可能只是本地存储数据。

当您进行绘制调用时，API会进行一些检查，以确保您作为用户已经进行了有效的渲染调用。如果是这样，API就有一些选择。事实证明，直接与驱动程序通信需要很长时间，无论您何时开始通信，都需要很多命令。因此，通常发生的是，API会存储您的渲染调用并立即返回。然后，在另一个线程中，它可能会查看已存储多少个渲染调用。如果有“足够的”，则将它们转发给驱动程序。这称为“编组”。

驱动程序的工作是接收并转换已转发的这些调用，以执行GPU所需的操作。

在同一条线上，图形管道定义在哪里？在GPU硬件、驱动程序还是软件库中？

事实上，这现在是一个非常棘手的问题，并且随着每个硬件代之后变得更加棘手。

在过去，图形管线的构建严格受 GPU 硬件控制。但现在这种情况相对较少，虽然还是有一些硬件控制。在现代硬件上（支持 OpenGL 3.0 或 Direct3D10 或更好），如果你直接访问图形驱动程序，理论上可以设计一个使用略微改变版本的图形管线的 API。因此，API 决定了大部分图形管线的外观。

渲染管线中的每个阶段都会从前面的阶段输出值作为输入，并生成一些值作为输出。如果生成输出值的机制涉及执行用户提供的程序（称为“着色器”），则该阶段是“可编程”的。因此，目前并不存在可编程的管线；只有固定管线的可编程阶段。

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非常感谢。我很清楚我的问题有多么广泛...对此感到抱歉，但感谢您花时间给我提供如此好的答案。它澄清了许多事情。如果我理解正确，API会验证调用、将它们分组，并最终通过系统调用向驱动程序发送累积的调用。这些传递给驱动程序的调用更像是汇编、高级Direct3D/OpenGL命令还是两者都不像？ - cloudraven
驱动程序只是操作系统加载的.dll或其他形式的库。它只是常规代码，它像常规代码一样接收函数调用。传递给驱动程序的数据结构的外观取决于实现（即使是同一操作系统上的驱动程序也会发生变化），对于不实际编写驱动程序的任何人来说，这最终都是无关紧要的。 - Nicol Bolas
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抱歉我来晚了，但有一个后续问题：API（OpenGL或DirectX）如何知道如何与所有不同的驱动程序通信？有Nvidia驱动程序、AMD/ATI驱动程序和许多版本的每个驱动程序？应用程序链接到一组特定版本的OpenGL，因此如果我更新我的驱动程序，旧版本的OpenGL如何知道如何与我的驱动程序通信？驱动程序和OpenGL之间的协调是如何工作的？ - pomeroy
加载OpenGL可安装客户端驱动程序 - aztack
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没有所谓的D3D或OGL指令。Direct3D或OpenGL将调用图形驱动程序，并执行它们需要完成的任何操作。这在着色器方面并不完全正确，因为它们在API（D3D / OGL）级别上具有统一的字节码，在这种情况下，API提供编译器，但据我所知，在执行之前仍以硬件相关方式进行转换。当然，Direct3D和OpenGL还包括用户模式组件以提高性能或提供更好的界面-例如，它们将批处理对内核的调用以减少上下文切换。
GPU制造的现实是，Microsoft和nVidia / ATi会聚在一起考虑他们想要什么以及可行的实现方法，并提出一个组规范，因为现实情况是，如果主要硬件和软件供应商不合作，所有这些都不起作用。没有人会购买不支持DirectX的GPU-也没有人会购买没有GPU实现DirectX的Windows。当然，“没有人”是相对的-但对所有相关方来说，这将是巨大的损失，当然，如果您有一个仅构建为D3D10 API的游戏，则支持D3D10的驱动程序是运行游戏的必备条件-有效地通过增加软件的运行范围来增加产品的价值，这是一个卖点。这意味着由硬件供应商或软件供应商定义的语义差异是微小的，实际上-特别是因为PC上唯一两个真正的3D渲染API，OpenGL和Direct3D，就图形管道而言，遵循非常相似的模型，据我所知。
然而，对于新的可编程GPU，您可以认为图形管道实际上并不存在-如果您有耐心进行编程，则可以将DX11设备用于您可以构想的任何图形管道。
最终，GPU受到强大的驱动程序级抽象保护。它实现了C样式接口，以及在该实现中允许或必要的所有内容。之后的一切都是完全实现定义的。
您可以查看MSDN文档以编写图形驱动程序。我看过它，但没有方便的链接，并描述了您必须遵守的接口和其他事项。
那确实很有道理。看看驱动程序应该如何编写，应该能够非常准确地回答我所有的问题。我会去检查一下。 - cloudraven
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