虚拟显卡驱动深度优化实战

基于前面的实践，我们进一步扩展功能，深入探索用户输入交互和硬件加速模拟，让整个链路更贴近真实系统的工作方式。

扩展一：添加用户输入响应（鼠标交互）

真实界面程序能响应用户输入（如鼠标点击），我们通过“Win32窗口捕获鼠标事件→通知驱动→驱动更新帧缓冲”的链路实现这一功能。

1. 驱动层：新增“清除像素”指令

在驱动的
IOCTL处理中添加清除功能（擦除像素）：

// 新增IO控制码：清除像素（设为黑色）
#define IOCTL_CLEAR_PIXEL CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0x802, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)

// 在EvtIoDeviceControl的switch中添加：
case IOCTL_CLEAR_PIXEL: {
    if (InputBufferLength < sizeof(PIXEL_DATA)) {
        status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
        break;
    }
    PPIXEL_DATA pixel = WdfRequestGetInputBuffer(Request, InputBufferLength, &status);
    if (!pixel) break;

    if (pixel->x < 0 || pixel->x >= SCREEN_WIDTH || 
        pixel->y < 0 || pixel->y >= SCREEN_HEIGHT) {
        status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
        break;
    }

    // 清除为黑色（0x00000000）
    ULONG index = (pixel->y * SCREEN_WIDTH + pixel->x) * PIXEL_SIZE;
    *(PULONG)(devCtx->frameBuffer + index) = 0x00000000;
    DbgPrint("VirtualDisplay: 清除像素 (%d,%d)
", pixel->x, pixel->y);
    break;
}

2. 用户态显示程序：捕获鼠标事件并通知驱动

修改Win32窗口的消息处理函数，添加鼠标点击响应：

// 在WindowProc中添加WM_LBUTTONDOWN（左键点击）处理：
case WM_LBUTTONDOWN: {
    // 获取鼠标在窗口中的坐标
    int x = LOWORD(lParam);
    int y = HIWORD(lParam);
    printf("鼠标点击: (%d,%d)
", x, y);

    // 点击时清除该位置的像素（调用驱动的IOCTL_CLEAR_PIXEL）
    PIXEL_DATA data = {x, y, 0}; // 颜色参数无效，仅用坐标
    DWORD bytesReturned;
    DeviceIoControl(hDevice, IOCTL_CLEAR_PIXEL, &data, sizeof(data),
                   NULL, 0, &bytesReturned, NULL);

    // 触发窗口重绘
    InvalidateRect(hwnd, NULL, FALSE);
    return 0;
}

扩展二：模拟硬件加速（绘制直线算法）

真实显卡会硬件加速基本图形（如直线、圆），避免CPU逐像素绘制。我们在驱动中实现直线绘制算法（Bresenham算法），模拟硬件加速。

1. 驱动层：新增“绘制直线”指令

// 新增IO控制码：绘制直线
#define IOCTL_DRAW_LINE CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0x803, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)

// 直线参数（起点、终点、颜色）
typedef struct {
    INT x1, y1;  // 起点
    INT x2, y2;  // 终点
    ULONG color;
} LINE_DATA, *PLINE_DATA;

// Bresenham直线算法（驱动内部实现，模拟硬件加速）
VOID DrawLineInternal(PDEVICE_CONTEXT devCtx, INT x1, INT y1, INT x2, INT y2, ULONG color) {
    INT dx = abs(x2 - x1);
    INT dy = abs(y2 - y1);
    INT sx = (x1 < x2) ? 1 : -1;
    INT sy = (y1 < y2) ? 1 : -1;
    INT err = dx - dy;

    while (TRUE) {
        // 绘制当前点
        if (x1 >= 0 && x1 < SCREEN_WIDTH && y1 >=0 && y1 < SCREEN_HEIGHT) {
            ULONG index = (y1 * SCREEN_WIDTH + x1) * PIXEL_SIZE;
            *(PULONG)(devCtx->frameBuffer + index) = color;
        }
        if (x1 == x2 && y1 == y2) break;
        INT e2 = 2 * err;
        if (e2 > -dy) { err -= dy; x1 += sx; }
        if (e2 < dx) { err += dx; y1 += sy; }
    }
}

// 在EvtIoDeviceControl中添加：
case IOCTL_DRAW_LINE: {
    if (InputBufferLength < sizeof(LINE_DATA)) {
        status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
        break;
    }
    PLINE_DATA line = WdfRequestGetInputBuffer(Request, InputBufferLength, &status);
    if (!line) break;

    DbgPrint("VirtualDisplay: 绘制直线 (%d,%d)-(%d,%d) 颜色:0x%X
",
             line->x1, line->y1, line->x2, line->y2, line->color);
    DrawLineInternal(devCtx, line->x1, line->y1, line->x2, line->y2, line->color);
    break;
}

2. 用户态程序：调用直线绘制功能

在绘图程序中添加绘制直线的函数：

// 绘制直线（调用驱动）
void DrawLine(HANDLE hDevice, INT x1, INT y1, INT x2, INT y2, ULONG color) {
    LINE_DATA data = {x1, y1, x2, y2, color};
    DWORD bytesReturned;
    DeviceIoControl(hDevice, IOCTL_DRAW_LINE, &data, sizeof(data),
                   NULL, 0, &bytesReturned, NULL);
}

// 在main中测试：
DrawLine(hDevice, 50, 50, 500, 400, 0xFF00FF00);  // 绿色直线

扩展三：帧缓冲双缓冲机制（避免闪烁）

真实系统中，显卡通常使用双缓冲（前缓冲用于显示，后缓冲用于绘制），切换时一次性刷新，避免闪烁。我们在驱动中模拟这一机制。

1. 驱动层：添加双缓冲支持

// 设备上下文扩展双缓冲
typedef struct {
    PUCHAR frontBuffer;  // 前缓冲（显示用）
    PUCHAR backBuffer;   // 后缓冲（绘制用）
    BOOLEAN isSwapped;   // 是否需要交换
} DEVICE_CONTEXT, *PDEVICE_CONTEXT;

// 新增IO控制码：交换缓冲
#define IOCTL_SWAP_BUFFERS CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0x804, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)

// 在EvtDevicePrepareHardware中初始化双缓冲：
devCtx->frontBuffer = (PUCHAR)ExAllocatePoolWithTag(NonPagedPoolNx, BUFFER_SIZE, 'FntB');
devCtx->backBuffer = (PUCHAR)ExAllocatePoolWithTag(NonPagedPoolNx, BUFFER_SIZE, 'BckB');
if (!devCtx->frontBuffer || !devCtx->backBuffer) {
    // 释放已分配内存
    if (devCtx->frontBuffer) ExFreePoolWithTag(devCtx->frontBuffer, 'FntB');
    if (devCtx->backBuffer) ExFreePoolWithTag(devCtx->backBuffer, 'BckB');
    return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
}
RtlZeroMemory(devCtx->frontBuffer, BUFFER_SIZE);
RtlZeroMemory(devCtx->backBuffer, BUFFER_SIZE);
devCtx->isSwapped = FALSE;

// 修改所有绘图操作到backBuffer：
// 例如DrawLineInternal中改为：
ULONG index = (y1 * SCREEN_WIDTH + x1) * PIXEL_SIZE;
*(PULONG)(devCtx->backBuffer + index) = color;  // 用backBuffer

// 处理IOCTL_SWAP_BUFFERS：
case IOCTL_SWAP_BUFFERS: {
    // 交换前后缓冲（实际可优化为交换指针，这里简化为拷贝）
    RtlCopyMemory(devCtx->frontBuffer, devCtx->backBuffer, BUFFER_SIZE);
    devCtx->isSwapped = TRUE;
    DbgPrint("VirtualDisplay: 缓冲交换完成
");
    break;
}

// 修改IOCTL_GET_BUFFER读取frontBuffer：
RtlCopyMemory(output, devCtx->frontBuffer, BUFFER_SIZE);

2. 用户态程序：使用双缓冲绘制

// 新增交换缓冲函数
void SwapBuffers(HANDLE hDevice) {
    DWORD bytesReturned;
    DeviceIoControl(hDevice, IOCTL_SWAP_BUFFERS, NULL, 0,
                   NULL, 0, &bytesReturned, NULL);
}

// 在绘图程序中批量绘制后交换缓冲：
// 先在后缓冲绘制多个图形
DrawRect(hDevice, 100, 100, 300, 200, 0xFFFF0000);
DrawLine(hDevice, 50, 50, 500, 400, 0xFF00FF00);
// 所有绘制完成后交换缓冲（一次性显示）
SwapBuffers(hDevice);

扩展四：调试与性能分析

内核调试：

用WinDbg连接测试机（或虚拟机），设置断点跟踪
EvtIoDeviceControl，观察用户态参数如何传递到内核。命令示例：
bp VirtualDisplay!EvtIoDeviceControl（中断驱动的IO处理函数）。

性能对比：

对比“CPU逐像素绘制”和“驱动硬件加速绘制”的效率：用
QueryPerformanceCounter测量绘制1000条直线的耗时，会发现驱动内部实现的Bresenham算法（模拟硬件加速）远快于用户态逐像素调用。

资源监控：

用Process Explorer查看驱动占用的内核内存（
VirtualDisplay.sys对应的非分页内存），验证双缓冲的内存分配（
2 * BUFFER_SIZE）。

总结：完整链路再梳理

通过以上扩展，整个系统的链路更贴近真实Windows图形系统：

用户输入（鼠标点击）→ Win32窗口（USER32.dll）→ 系统调用 → 驱动（处理清除指令）→ 后缓冲更新  
→ 用户态绘图程序 → 系统调用 → 驱动（硬件加速绘制直线）→ 后缓冲  
→ 交换缓冲 → 前缓冲更新 → Win32显示程序 → GDI读取前缓冲 → 窗口显示

每一层的职责清晰：

驱动：管理硬件资源（帧缓冲）、实现硬件加速算法、处理并发访问。系统调用：隔离用户态与内核态，提供安全的交互接口。用户态API：封装复杂操作（如窗口管理、消息处理），简化应用开发。应用程序：聚焦业务逻辑（绘图、交互），无需关注底层细节。

继续深入可探索：多进程访问冲突处理、3D渲染管线模拟（如顶点变换）、DirectX接口适配等，逐步向真实图形系统靠拢。