double buffer的fbdev驅(qū)動與應(yīng)用

一、為何需要 double buffer？

single buffer 會導(dǎo)致：

屏幕撕裂（tearing），即在屏幕上同時看到多幀數(shù)據(jù)拼接在一起。

點擊查看大圖

single buffer 為何會造成撕裂：

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。

點擊查看大圖

LCD controller / gpu 和 屏幕協(xié)作完成一幀圖像的顯示：

點擊查看大圖

在 single buffer 的場景下，LCD user 和 LCD controller / gpu 總是在共用同一個 framebuffer，且沒有同步機制。

LCD user 是寫者，LCD controller / gpu 是讀者。

由于存在競爭關(guān)系且讀寫沒有同步機制，framebuffer 里必須會發(fā)生同時存在frame N 和 frame N-1 的數(shù)據(jù)，此時 LCD 將 framebuffer 的數(shù)據(jù)顯示出來時，就會看到撕裂的效果：

點擊查看大圖

可以通過 double buffer+vsync 解決撕裂的問題。

double buffer，顧名思義，就是有 2 個 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)動和應(yīng)用互相配合：

二、編寫支持 double buffer 的fbdev 驅(qū)動

fbdev 框圖：

先梳理一下思路：

讓驅(qū)動支持 double buffer 需要做 3 件事。

1. 申請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 */

。..

}

點擊查看大圖

xres 和 yres 是真實的 LCD 分辨率的寬和長;

xres_virtual 和 yres_virtual 是顯存區(qū)域的寬和長;

xoffset 和 yoffset 用于指定當(dāng)前使用哪一個 Buffer 進行繪制。使用 Buffer0 時 ，xoffset = 0，yoffset=0; 使用 Buffer1 時，xoffset = 0， yoffset = yres * 1;

3. 支持切換 buffer，具體的就是實現(xiàn) ioctl：FBIOPAN_DISPLAY。

pan 的本意是平移，可以想象成顯存上方有一個取景框，平移取景框可以看到不同的顯示內(nèi)容。

實例分析：goldfishfb.c

goldfishfb.c 是虛擬硬件 goldfish 的 fbdev 驅(qū)動，我們可以參考這個文件，學(xué)習(xí)如何實現(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

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，就會產(chǎn)生一個中斷，在中斷里就會執(zhí)行喚醒睡眠在 fb_pan_display 里的進程。

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)動支持 double buffer 后，還得在應(yīng)用程序里將其使用起來。

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)動切換 buffer：FBIOPAN_DISPLAY;

等待切換完成：FBIO_WAITFORVSYNC;

實例分析：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 個數(shù)

buffer_num = fix.smem_len / screen_size;

printf（“buffer_num = %d

”， 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

”）;

return -1;

}

if （（argv［1］［0］ == ’s‘） || （buffer_num == 1）） {

printf（“single buffer：

”）;

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：

”）;

// 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;

}

運行：

$ 。/show_color single

buffer_num = 1

single buffer：

$ 。/show_color double

buffer_num = 2

double buffer：

該程序會在屏幕上循環(huán)的顯示不同的顏色。

當(dāng)傳入 “single” 參數(shù)時，使用單 buffer，可見撕裂。

當(dāng)傳入 “double” 參數(shù)時，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。
編輯：lyn