3D游戏的一帧画面是如何显示的

3D游戏的一帧画面是如何显示的

3D游戏一般使用图形渲染引擎实现，而图形渲染引擎调用的是图形渲染API。常见的图形渲染API包含：OpenGL、OpenGL ES、Vulkan、DirectX等。

图形渲染API定义了每个API需要实现的功能，而功能的实现是由GPU厂商完成的。有的时候会出现同样的程序在不同的GPU上运行的结果不一致，这是因为不同GPU对某个API的实现不一样或者就完全没有实现。

在使用GPU的硬件渲染图像之前，驱动会解析图形渲染API并做一些预处理。这里的驱动包含用户态驱动和内核态驱动。

通常，用户态驱动与图形渲染API是一一对应的，也就是说，如果某GPU支持OpenGL和DirectX，那么其必须提供OpenGL的用户态驱动和DirectX的用户态驱动。在Linux操作系统下，OpenGL的用户态驱动就是libGL.so。用户态驱动对图形渲染API进行解析、缓存和处理。为了提升图形渲染效率，用户态驱动可以直接将一些大块的数据和控制信息事先写入GPU的显存中。

内核态驱动可以直接和硬件打交道，如读写寄存器、存储访问、中断控制等。一个GPU硬件只有一个内核态驱动，它屏蔽了不同用户态驱动的差异，提供统一的与硬件交互的接口。

内核态驱动通过系统总线给GPU提供输入，然后GPU进行渲染，接着GPU将渲染后的结果写入显存中的帧缓冲区中，最后，显控按照一定的频率读取帧缓冲区的内容显示到显示器上。

那么GPU是怎样根据CPU的输入渲染出一帧图像的呢？

我们首先看一下CPU给GPU的输入数据都有哪些：1）顶点数据、染色程序、纹理数据等；2）配置数据；3）控制数据。#1是用户态驱动直接写入显存的，是图形渲染的原始数据；#2是内核态驱动写入GPU的配置寄存器，通过这种方式可以配置硬件资源；#3一部分是用户态驱动写入内存，一部分是内核态驱动写GPU的控制寄存器，通过这种方式可以控制GPU的运行状态。

当GPU接收到开始运行的命令，则启动其硬件渲染管线。硬件渲染管线通常包含：顶点抓取、顶点处理、图元生成、图元处理、片段生成、片段处理。顶点处理即顶点染色，片段处理包含片段染色和片段操作。片段操作又包含深度模板测试、混合等操作。其中顶点染色和片段染色是可编程的，其他阶段由固定功能的硬件加速器完成。片段操作之后生成最终的像素，然后像素数据被写入帧缓冲区中。关于渲染管线的更多描述参看：
https://www.khronos.org/opengl/wiki/Rendering_Pipeline_Overview