完全看懂 Windows 視窗介面演進（下）

微軟號稱，從Windows Vista開始，你再也看不到視窗切換慢動作的爛戲了。以筆者用了一兩年的經驗，的確是毫無因為桌面繪圖錯誤而當機的印象。這箇中奧妙解釋起來會有點複雜，所以我們先用簡單的話來說：Windows XP的桌面都是2D繪圖，Windows Vista開始才有3D加速桌面。

3D加速讓桌面進化

所謂2D桌面的舊架構，就是早在Windows 95時代出生的GDI（Graphics Device Interface），正因為它是在電腦處理能力很爛的年代開發出來的API，所以它沒有反鋸齒處理、透明背景等等華麗的功能。其實早期會有人為了讓2D圖像跑得更順暢，去買所謂的「2D加速卡」，當然廠商也因應GDI撰寫了有硬體加速的驅動程式。

搜括世界各國佈景主題

▲ 這支Windows 7 ToolKit其實是個破解程式，不過它也有一些調校功能，像是按一下就可以把隱藏在C:\windows\Globalization\MCT的各國佈景安裝進來。

DirectX、GDI兩條路

在這不久之後，DirectX和3D遊戲也開始流行，更多廠商把資源投注在開發「3D加速卡」身上。而因為GDI和DirectX兩個API的誕生背景不同，後來就像在兩個平行世界發展似的，即使微軟試著互通它們的程式資源，卻幾乎沒有任何成果。

到了Windows XP，縱使GDI升級成GDI+，增加了材質、漸層、透明度、浮點座標、支援更多圖片格式等等新功能，骨子裡還是同樣的舊系統。簡單的說，DirectX遊戲可以充分運用電晶體數量比CPU還多的超暴力顯示卡，存取顯示記憶體裡的圖像合成漂亮的遊戲場景。但是以上這些資源GDI都不能用，當然也就做不出任何3D特效。

▲ 即使Windows XP 升級了新的GDI+，還是常常會有視窗拖動「鬼影幢幢」的老症頭。

▲ Vista之後的桌面，就像由DWM操控各種畫面合成的3D影像。

WDDM架構來幫忙

這些難解的問題，等到Vista重新打造桌面的繪圖流程才開始解決，也就是WDDM（Windows Display Driver Model）這個新的顯示驅動程式架構，在這個底層系統之上，是由WPF（Windows Presentation Foundation）負責控制Windows桌面的構圖。從此以後，桌面上的各個視窗，就變成了3D繪圖流程裡的平面（surface），透過DWM（Desktop Windows Manager）這支Direct3D應用程式，就可以合成螢幕上的畫面。

▲ Vista的名產：Flip 3D原封不動的活下來了，在Windows 7按「Windows鍵＋Tab」就會出現。

排程共享GPU資源

從原本的2D桌面進化到3D加速桌面有幾個關鍵，首先，WDDM架構可以讓不同的應用程式和系統服務分享GPU的處理能力。比方說負責合成桌面的DWM程式，除了要操控桌面上的物件，還會提供Flip 3D特效，顯示縮圖預覽等等。其他的應用程式也會渲染自己的圖片，它們和DWM自己的渲染執行緒分頭進行，最後由DWM負責組成桌面。而WDDM也會負責分配GPU的運算能力，讓3D程式在必要的時候取得最大的資源。

反過來說，在WDDM出現之前，幾乎不可能有好幾個3D應用程式同時執行，因為沒有排程的能力，跑一個DirectX遊戲就把所有資源搾乾了。而且WDDM讓顯示記憶體可以被分頁儲存到主記憶體，就算顯示記憶體容量不夠用了，也不用擔心會3D桌面當機，導致倒退回2D模式。

桌面繪圖跟得上滑鼠

現在我們回頭看看Windows XP的「白色鬼影」問題，由於它的視窗桌面被當成一張2D平面圖，當上面的視窗移來移去，底下的其他視窗和桌面必須不斷的重繪，造成畫面不連貫，或是出現白邊。

在WDDM架構下，即使某些視窗是被覆蓋的狀況，它們還是會以3D平面的形式，儲存在螢幕以外的假想區域。這麼一來使用者可以任意拖動視窗，底下的視窗也不必重畫一次。就像Aero特效啟動的時候，透明邊框移到底下有其他視窗的地方，同樣不必再重新繪圖，這些動作都只需DWM負責把半透明的圖像放到新的座標即可。

▲ 雖然理論上視窗畫面不會消失，不過用久了還是會有縮圖預覽失效的狀況，Windows 7會用小圖示混過去。

WDDM 1.1啟用條件

到了Windows 7，不只是活用3D加速桌面做出神奇的操作介面而已，WDDM架構也從Vista的1.0版推進到了1.1。不過想啟用WDDM 1.1，就跟玩DirectX 10遊戲的條件一樣，你得升級Windows 7（廢話）、插一張支援WDDM 1.1的顯示卡、並且裝上WDDM 1.1的驅動程式。

而WDDM 1.1使用的API版本，從Vista的DirectX 9升級到了DirectX 10.1，所以必須裝一張支援DirectX 10的顯示卡，才能達成啟用條件。如果你的顯示卡大概是在兩年以內購買的G80以上等級，應該就沒問題，詳細可參考以下附表。

WDDM 1.1的改善重點

既然程式的API升級，執行效率理論上應該也會變快吧？微軟標榜的便是WDDM 1.1能夠讓DirectX 10的遊戲執行效率、以及桌面繪圖效能更好。遊戲部份我們留待適當的文章驗證，而桌面繪圖的加強重點，就在大幅改善記憶體佔用量。

運作更輕巧

在3D加速桌面的結構下，每個視窗都是未壓縮的材質，準備讓顯示卡處理。在Vista的WDDM 1.0架構當中，當有視窗繪圖元件需要處理，DWN會在顯示記憶體儲存一份材質，還有一份重覆的資料會放進主記憶體，以便讓DWM合成桌面。當桌面上開啟的元件變多，就會讓系統記憶體的消耗量激增。

到了WDDM 1.1，只要在顯示記憶體儲存一份資料就可以了。根據微軟的說法，每多開一個視窗就會佔用一塊記憶體，所以Vista在開一堆視窗之後，記憶體佔用量會呈等差級數上升。而Windows 7的使用量理論上根本不會增加。

不同系統的改善幅度

聽起來很強大，不過我們還是實際來測看看，眼見為憑。然而因為很難控制所有的環境因素不變，所以我們在同一組硬體配置上安裝了Windows Vista、Windows 7兩套作業系統，分別打開10個檔案總管、5個IE、及1個Windows Media Player視窗，從工作管理員觀察閒置到負載之後的記憶體佔用量變化。

實際上這樣的對照方法有個瑕疵，就是兩套作業系統的程式結構不同，就算打開一模一樣的視窗數量，佔用的記憶體空間本來就會不同。但是剛好Windows 7也是大幅改善了資源佔用量，方便我們觀察同樣是WDDM 1.0驅動下，Windows 7比Vista省了多少。

XPDM vs. WDDM

在前面的WDDM支援硬體列表當中，如果你的顯示卡太舊排不進去，就會退回和XP一樣的XPDM（Windows XP Display Driver Model）傳統模式，也就是透明邊框消失的「Basic」主題。所以我們不用換裝爛卡，直接用同樣的配備「自廢武功」切換到Windows 7 Basic佈景主題的話，等於就是在XPDM模式下運作。

我們加入這個另類小撇步來驗證同樣配備下，XPDM和WDDM的資源佔用狀況。讀者在家裡也可以自己玩玩看。有趣的是，實驗結果WDDM根本不會比XPDM省資源，尤其是在Vista的環境下會更嚴重，測試平台上僅有的2GB，開了一堆視窗就被耗掉將近1GB，連CPU使用率也跟著往上跳。而且操作速度已經開始有遲鈍的跡象，不過有WDDM架構的加持，的確怎麼也不會發生背景冒白邊的錯誤畫面。

CPU佔用率變化

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▲ 雖然啟用WDDM理論上會減輕CPU負擔，詭異的是實測當中CPU佔用率不減反增。

DWM佔用量變化

（單位：％　↓越小越好）

▲ 在Vista的負載測試中，DWM記憶體佔用量飆高到43MB，到了Windows 7的WDDM 1.1只用了9MB。

總記憶體佔用量變化

（單位：％　↓越小越好）

▲ 整體來說，Windows 7各種繪圖模式都比Vista節省記憶體，WDDM1.1模式的佔用量甚至比XPDM還低。

資源佔用不飆高

除了XPDM的數據有點意外， 實測結果證明，Windows 7的桌面繪圖要比Vista省資源得多。同樣是WDDM 1.0的記憶體佔用量多過XPDM，但Windows 7的數據平均比Vista少了21％左右。啟用了WDDM 1.1之後，Windows 7幾乎降到和XPDM相同的水準，甚至閒置時的記憶體佔用量還比XPDM低11％。

單從DWM程式的佔用量觀察，差距幅度會更大。有趣的是，當WDDM關閉，DWM的佔用量也會降到谷底，因為它會變得沒有作用，就算開一堆視窗也是沒事幹。但是在Vista的WDDM模式下開啟一堆視窗後，DWM佔用量馬上劇增60％。

▲ 雖然HP Mini 331用ION平台，不過卻只支援DirectX 9，跑Windows 7的3D加速桌面會比較吃資源。

DirectX 10的新價值

經過我們的實測發現，WDDM的確改善了XPDM會「破圖」的毛病，然而在Vista底下，它的效能並沒有達到最佳化，必須升級到Windows 7的WDDM 1.1架構，才能達成先進繪圖與資源佔用量之間的平衡。而前提是要有一張支援DirectX 10的顯示卡。

要注意的是，對於本身沒有顯示記憶體，共享系統記憶體的小筆電來說，還是可能發生資源不足的狀況。另外，如果選擇買Atom平台搭配的GMA 950顯示晶片，因為只有DirectX 9等級，享受不到新架構的優點。當然啦，如果連DirectX 9都不支援，就根本沒有3D加速桌面，直接打回2D模式。

紅綠顯卡一起來

另一個Vista改成WDDM架構後被拿掉的功能，就是多重顯示驅動程式。當你要用兩張顯示卡輸出到多重螢幕上，大家都得用同一個驅動程式才行，不然就得有其中一張失效。

這個功能到了Windows 7的WDDM 1.1又重出江湖，也就是說，只要有WDDM 1.1的驅動，你可以在系統裡面安裝兩張不同廠牌的顯示卡。對於想要推廣GPGPU的廠商來說，他們就可以把N牌顯示卡賣給已經有A牌產品的消費者，不必輸出任何畫面，只拿來當通用運算處理器。

▲ 在Vista底下同時裝ATI和NVIDIA的顯示卡，會一直出現其中一張無法啟用的錯誤訊息。

▲ Windows 7底下即使其中一張卡沒有WDDM 1.1驅動， 還是可以同時啟用。

• 看上篇：完全看懂 Windows 視窗介面演進（上）