做嵌入式開發(fā)，Linux應(yīng)用好還是驅(qū)動(dòng)好？
做嵌入式開發(fā)，Linux應(yīng)用好還是驅(qū)動(dòng)好？
一、為何需要 double buffer?
single buffer會(huì)導(dǎo)致：
文章下方附學(xué)習(xí)資源，自助領(lǐng)取。屏幕撕裂(tearing)，即在屏幕上同時(shí)看到多幀數(shù)據(jù)拼接在一起。
點(diǎn)擊查看大圖
single buffer為何會(huì)造成撕裂：
refresh rate和 frame rate不一致。
refresh rate表示的是屏幕每秒能更新多少次顯示，例如 30hz / 60hz。
點(diǎn)擊查看大圖
frame rate表示的是 lcd controller / gpu每秒能繪制多少幀數(shù)據(jù)，例如 30fps / 60fps。
點(diǎn)擊查看大圖
LCD controller / gpu和屏幕協(xié)作完成一幀圖像的顯示：
點(diǎn)擊查看大圖
在 single buffer的場(chǎng)景下，LCD user和 LCD controller / gpu總是在共用同一個(gè) framebuffer，且沒有同步機(jī)制。
LCD user是寫者，LCD controller / gpu是讀者。
由于存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系且讀寫沒有同步機(jī)制，framebuffer里必須會(huì)發(fā)生同時(shí)存在frame N和 frame N-1的數(shù)據(jù)，此時(shí) LCD將 framebuffer的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)時(shí)，就會(huì)看到撕裂的效果：
點(diǎn)擊查看大圖
可以通過(guò) double buffer+vsync解決撕裂的問(wèn)題。
double buffer，顧名思義，就是有 2個(gè) framebuffer，其工作邏輯如下：
·LCD controller : draw fb0 to screen
·LCD user : write data to fb1
·LCD controller : draw fb1 to screen
·LCD user : write data to fb0
·循環(huán)...
vsync機(jī)制則用于確保一幀圖像能不被打斷地顯示在屏幕。
如何支持 double buffer？
需要驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用互相配合：
二、編寫支持 double buffer的 fbdev驅(qū)動(dòng)
fbdev框圖：
先梳理一下思路：
讓驅(qū)動(dòng)支持 double buffer需要做 3件事。
1.申請(qǐng)2 x buffer：
size = (2 * width * height);
fbi->screen_base = dma_alloc_wc(sfb->dev, size, &map_dma, GFP_KERNEL);
2.將 buffer相關(guān)的信息保存 struct fb_info-> struct fb_var_screeninfo。
struct fb_var_screeninfo {
__u32 xres; /* visible resolution */
__u32 yres;
__u32 xres_virtual; /* virtual resolution */
__u32 yres_virtual;
__u32 xoffset; /* offset from virtual to visible */
__u32 yoffset; /* resolution */
...
}
xres和 yres是真實(shí)的 LCD分辨率的寬和長(zhǎng);
xres_virtual和 yres_virtual是顯存區(qū)域的寬和長(zhǎng);
xoffset和 yoffset用于指定當(dāng)前使用哪一個(gè) Buffer進(jìn)行繪制。使用 Buffer0時(shí)，xoffset = 0，yoffset=0;使用 Buffer1時(shí)，xoffset = 0, yoffset = yres * 1;
3.支持切換 buffer，具體的就是實(shí)現(xiàn) ioctl：FBIOPAN_DISPLAY。
pan的本意是平移，可以想象成顯存上方有一個(gè)取景框，平移取景框可以看到不同的顯示內(nèi)容。
實(shí)例分析：goldfishfb.c
goldfishfb.c是虛擬硬件 goldfish的 fbdev驅(qū)動(dòng)，我們可以參考這個(gè)文件，學(xué)習(xí)如何實(shí)現(xiàn) double buffer。
1.分配 2 x buffer：
int goldfish_fb_probe()
{
...
framesize = width * height * 2 * 2;
fb->fb.screen_base = (char __force __iomem *)dma_alloc_coherent(&pdev->dev, framesize, &fbpaddr, GFP_KERNEL);
}
2.設(shè)置 fb_var_screeninfo：
int goldfish_fb_probe()
{
...
fb->fb.var.xres = width;
fb->fb.var.yres = height;
fb->fb.var.xres_virtual = width;
fb->fb.var.yres_virtual = height * 2;
}
3.實(shí)現(xiàn) ioctl / FBIOPAN_DISPLAY：
static struct fb_ops goldfish_fb_ops = {
...
.fb_pan_display = goldfish_fb_pan_display,
};
int goldfish_fb_pan_display()
{
...
//將新的顯存地址告知 lcd controller
writel(fb->fb.fix.smem_start + fb->fb.var.xres * 2 * var->yoffset,
fb->reg_base + FB_SET_BASE);
//等待 LCD controller的 vsync信號(hào)
wait_event_timeout(fb->wait,fb->base_update_count != base_update_count, HZ / 15);
}
當(dāng)LCD controller將一幀圖像完整地顯示在 LCD上后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷里就會(huì)執(zhí)行喚醒睡眠在 fb_pan_display里的進(jìn)程。
如果你想多了解一些，可以閱讀 DRM框架里的 fbdev兼容代碼，此代碼也是支持 double buffer的：
·linux/drivers/gpu/drm/*/*_drm_fbdev.c
·linux/drivers/gpu/drm/drm_fb_helper.c
三、編寫支持 double buffer的 fbdev應(yīng)用
驅(qū)動(dòng)支持 double buffer后，還得在應(yīng)用程序里將其使用起來(lái)。
先梳理一下思路：
.檢查是否支持 double buffer;
.使能 double buffer：FBIOPUT_VSCREENINFO;
.更新 buffer里數(shù)據(jù);
.通知驅(qū)動(dòng)切換 buffer：FBIOPAN_DISPLAY;
.等待切換完成：FBIO_WAITFORVSYNC;
實(shí)例分析：show_color.c
static int fd_fb;
static struct fb_fix_screeninfo fix; /* Current fix */
static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */
static int screen_size;
static unsigned char *fb_base;
static unsigned int line_width;
static unsigned int pixel_width;
int main(int argc, char **argv)
{
int i;
int ret;
int buffer_num;
int buf_idx = 1;
char *buf_next;
unsigned int colors[] = {0x00FF0000, 0x0000FF00, 0x000000FF, 0, 0x00FFFFFF}; /* 0x00RRGGBB */
struct timespec time;
...
fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
ioctl(fd_fb, FBIOGET_FSCREENINFO, &fix);
ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var);
line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;
pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;
screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;
// 1.獲得 buffer個(gè)數(shù)
buffer_num = fix.smem_len / screen_size;
printf("buffer_num = %d\n", buffer_num);
fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , fix.smem_len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
if (fb_base == (unsigned char *)-1) {
printf("can't mmap\n");
return -1;
}
if ((argv[1][0] == 's') || (buffer_num == 1)) {
printf("single buffer:\n");
while (1) {
for (i = 0; i < sizeof(colors)/sizeof(colors[0]); i++) {
lcd_draw_screen(fb_base, colors[i]);
nanosleep(&time, NULL);
}
}
} else {
printf("double buffer:\n");
// 2.使能多 buffer
var.yres_virtual = buffer_num * var.yres;
ioctl(fd_fb, FBIOPUT_VSCREENINFO, &var);
while (1) {
for (i = 0; i < sizeof(colors)/sizeof(colors[0]); i++) {
// 3.更新 buffer里的數(shù)據(jù)
buf_next = fb_base + buf_idx * screen_size;
lcd_draw_screen(buf_next, colors[i]);
// 4.通知驅(qū)動(dòng)切換 buffer
var.yoffset = buf_idx * var.yres;
ret = ioctl(fd_fb, FBIOPAN_DISPLAY, &var);
if (ret < 0) {
perror("ioctl() / FBIOPAN_DISPLAY");
}
// 5.等待幀同步完成
ret = 0;
ioctl(fd_fb, FBIO_WAITFORVSYNC, &ret);
if (ret < 0) {
perror("ioctl() / FBIO_WAITFORVSYNC");
}
buf_idx = !buf_idx;
nanosleep(&time, NULL);
}
}
}
munmap(fb_base , screen_size);
close(fd_fb);
return 0;
}
運(yùn)行：
$ ./show_color single
buffer_num = 1
single buffer:
$ ./show_color double
buffer_num = 2
double buffer:
該程序會(huì)在屏幕上循環(huán)的顯示不同的顏色。
當(dāng)傳入 "single"參數(shù)時(shí)，使用單 buffer，可見撕裂。
當(dāng)傳入 "double"參數(shù)時(shí)，使用雙 buffer，不再撕裂。
代碼不是很復(fù)雜，我就不再詳細(xì)分析了。
如果你想多了解一些，可以閱讀開源軟件 SDL-1.2里的 sdl_fbvideo.c，此代碼也支持了 double buffer。
另外，現(xiàn)在越來(lái)越多的顯示設(shè)備走的是 DRM框架，該框架自然是支持多 buffer的。
