圖像生成的整個過程在 OS 內核以及顯卡內的詳細執行流程是什麼樣的？

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圖像生成的整個過程在OS內核以及顯卡內的詳細執行流程，能否通俗形象的解釋？多謝！鄙人斗膽給出自己的理解，但是僅僅是猜測，總感覺不踏實，希望高手們答疑解惑，多謝！
第一步：某用戶態代碼要在屏幕上生成一個白色圓形，在屏幕正中央。其直接調用D3D庫，比如D3D庫中有某個函數：drawcircle(顏色圖.坐標)。

問題1：D3D庫頂層暴露的API就是這樣的么？是不是還有畫線，畫方，梯形，同心圓等等？能否舉個D3D里某函數的實際名字和參數？
第二步：drawcircle()接收到調用之後，是不是繼續調用庫里的一些演算法函數，這些演算法函數會知道「屏幕上某某坐標像素填充成白色」這種信息，猜測其返回值是一個屏幕像素的bitmap，被置1的表示填充白色？如果是這樣的話，好像圖像的運算過程並沒有被GPU加速，而是CPU算的。那麼，畫圓這個過程，D3D庫應該生成什麼樣的信息，將什麼信息傳遞給顯卡？
問題2：D3D庫底層函數輸出的是什麼樣的返回值，描述了什麼樣的信息？能否給個實例，多謝。
問題3：D3D庫底層又向下調用了誰？是顯卡驅動么？
第三步：D3D庫根據應用程序的畫圖需求，生成對應的描述信息（具體是什麼樣的？），然後調用顯卡驅動，將這些信息傳遞給顯卡進行渲染。

問題4：顯卡驅動據說分為用戶態和內核態兩部分，用戶態驅動又分成多個層次，都有哪些層次以及各個層次具體的作用？
問題5：顯卡內部也是數千個CPU來執行指令，那麼D3D庫是不是需要把用戶的畫圖需求，編譯成供GPU里的核心執行的二進位代碼，然後通過顯卡驅動發送給顯卡？這個編譯過程，具體是誰執行的，D3D庫？還是顯卡驅動？能否具體說說？
第四步：GPU接收到驅動發送的二進位代碼，那麼，GPU中數千個核心，接收到的代碼具體被載入哪個核運行？
問題6：驅動發送給GPU的代碼中是不是會明確給出「該代碼載入xx號核心運行」這種信息？然後輪流發送數千個指令包給數千個核心執行。還是說，同一個任務發給GPU之後，GPU內部自行進行切分處理？
問題7：關於Framebuffer這個東西，有人說其就是直接把GPU的顯存通過MMIO映射到CPU物理地址空間。是這樣的么？假設我在玩遊戲，後台突然有個進程嘗試寫了Framebuffer，在中央生成一個圓形，這個圓形會和遊戲圖像一起顯示在屏幕上么？
問題8：刷新率的問題，GPU是不是以一定的頻率從顯存中將要輸出的像素讀出然後輸出到HDMI？還是說只向顯示器傳送變化的像素？

問題9：假設某個遊戲畫面，處於靜止狀態，屏幕上沒有任何像素變化，那麼此時遊戲程序還會繼續向顯卡傳遞需要渲染的數據么？
以上步驟，期望高手能夠幫忙修改成準確的描述，並針對性回答對應的問題，多謝！

1. 沒有，D3D並不提供畫圓，只有畫三角形這樣最基本的primitive。

2. 理想狀況下，上層應該負責把圓轉成三角形的表達，交給D3D。「底層函數輸出的是什麼樣的返回值」，這句話真看不懂。到底是輸出還是返回值。

3. user mode driver和極少數kernel mode。

5. 不是數千CPU，是數千執行單元。翻譯由驅動完成。

6. 看顯卡架構，有軟體調度有硬體調度。

7. 每個進程地址空間是獨立的。

8. 每幀重刷。

9. 取決於遊戲引擎怎麼寫。但是，最終我仍會告訴你，知道這些對你來說沒用。

Windows Display Driver Model (WDDM) Architecture (Windows Drivers)

Display miniport dirver：
A device type-specific kernel-mode driver, usually implemented as a dynamic-link library, that provides an interface between a port driver and the system"s hardware. Windows operating systems define the architecture of the following kinds of miniport drivers:

An HBA-specific driver, linked against the system-supplied SCSI port driver, that drives one or more SCSI buses, or a mass-storage device driver that uses the NT SCSI port driver as its interface to the system.

A video-adapter-specific driver, linked against the system-supplied video port driver, that supports a corresponding display driver.

A network-adapter-specific driver, linked against the system-supplied NDIS library.

回答一下4，7， 8， 9問題。

問題4：顯卡驅動據說分為用戶態和內核態兩部分，用戶態驅動又分成多個層次，都有哪些層次以及各個層次具體的作用？

Q4：確實區分用戶態內核態。前面幾個回答給出了Windows下的架構。對於Linux下的，請參考我的另一個回答：計算機底層是如何訪問顯卡的？ - Jet Chen 的回答

問題7：關於Framebuffer這個東西，有人說其就是直接把GPU的顯存通過MMIO映射到CPU物理地址空間。是這樣的么？假設我在玩遊戲，後台突然有個進程嘗試寫了Framebuffer，在中央生成一個圓形，這個圓形會和遊戲圖像一起顯示在屏幕上么？

Q7: 首先要搞清楚MMIO映射的是寄存器，而不是內存。物理內存在地址空間的映射是BIOS配置內存控制器實現的，虛擬地址對於物理地址的映射是通過頁表映射的。內核虛擬地址到用戶進程空間的虛擬地址映射是靠mmap系統調用或者驅動提供的ioctl。

如果有人寫了活動的Framebuffer，那麼肯定會顯示到屏幕上。Framebuffer可能會有很多個，一般當前只有一個的內容被輸出的屏幕上。

但是不是誰都可以寫Framebuffer，就跟文件一樣，Framebuffer也需要許可權才能訪問。一般只有特殊程序才能通過驅動來修改Framebuffer的內容，比如窗口管理程序。

問題8：刷新率的問題，GPU是不是以一定的頻率從顯存中將要輸出的像素讀出然後輸出到HDMI？還是說只向顯示器傳送變化的像素？

GPU中有個部件叫做DC，Display Controller。他會以預設的頻率從Framebuffer中讀出像素去輸出。主流的DC都是讀取全部。不過你說的只讀變化的像素到時一個不錯的想法。只不過這個讀取的帶寬很大，目前不是瓶頸。也許將來4K, 8K普及了，吞吐量需求高了，真的會要做到差異更新。

問題9：假設某個遊戲畫面，處於靜止狀態，屏幕上沒有任何像素變化，那麼此時遊戲程序還會繼續向顯卡傳遞需要渲染的數據么？

一般來講會的。DC一旦設置好，就會固定頻率從FrameBuffer讀取數據。不論是不是變化。其實DC也不知道Framebuffer是否有被修改過。

但是在一些低功耗平台上，有些驅動程序會在已知圖像不會修改的時候，為了省電，暫時關閉DC，從而屏幕圖像靜止。但這不是主流做法。