- Android板级支持与硬件相关子系统
- 韩超等
- 2271字
- 2020-08-28 12:21:34
4.3 显示BSP的结构
Android显示部分的BSP支持，主要是硬件抽象层的grallloc模块和内核中的Framebuffer等驱动程序。
gralloc的含义为Graphics Allocation（图形分配），它位于框架层的通用部分和显示设备的驱动程序之间，作为显示硬件部分对上层的唯一接口。
gralloc有一个不同于其他硬件模块的地方，系统中必须有一个grallloc，否则系统无法正常启动。Android开源代码中已经实现的默认的gralloc模块名称为gralloc.default.so。它不仅是仿真器的实现，也适用于使用标准Framebuffer驱动的平台。
在某个硬件平台上，如果实现特定gralloc模块，其下层的显示设备就可以是各种类型的驱动程序。例如，对一个标准Framebuffer驱动程序实现带有优化的改动，增加一些ioctl命令来获得额外的控制；通过Android的pmem驱动等方式获得加速的效果。
↘4.3.1 Framebuffer驱动程序
在Linux中，Framebuffer驱动是标准的显示设备的驱动；对于PC系统，Framebuffer驱动是显卡的驱动；对于嵌入式系统的SOC处理器，Framebuffer通常作为其LCD控制器或者其他显示设备的驱动。
Framebuffer驱动是一个字符设备，这个驱动在文件系统中的设备节点通常是/dev/fbX。每个系统可以有多个显示设备，使用/dev/fb0、/dev/fb1等来表示。
提示：在Android中，Framebuffer驱动的设备节点在/dev/graphics目录中。
Framebuffer驱动是一个字符设备，主设备号为29，次设备号递增生成（由每个Framebuffer程序的注册顺序决定）。
Framebuffer显示驱动的架构如图4-2所示。
图4-2 Framebuffer显示驱动的架构
Framebuffer驱动在用户空间大多使用ioctl、mmap等文件系统的接口进行操作，ioctl用于获得和设置信息，mmap可以将Framebuffer的内存映射到用户空间。Framebuffer驱动也可以直接支持write操作，直接用写的方式输出显示内容。
Framebuffer驱动的主要头文件：include/linux/fb.h。
Framebuffer驱动核心实现：drivers/video/fbmem.c。
Framebuffer驱动中核心的数据接口是fb_info，在fb.h中定义：
struct fb_info {
int node;
int flags;
struct fb_var_screeninfo var; // 显示屏变的信息
struct fb_fix_screeninfo fix; // 显示屏固定信息
// 省略部分成员
struct fb_ops ＊fbops; // framebuffer的操作指针集合
// 省略部分成员
};
struct fb_info包含了Framebuffer驱动的主要信息，struct fb_var_screeninfo和struct fb_fix_screeninfo是两个相关的数据结构。通常对应FBIOGET_VSCREENINFO和FBIOGET_FSCREENINFO这两个ioctl命令从用户空间获得的显示信息。fb_ops表示对Framebuffer的操作，由一系列函数指针组成。
在具体的Framebuffer驱动的实现中，通常通过以下函数进行注册和注销：
extern int register_framebuffer(struct fb_info ＊fb_info);
extern int unregister_framebuffer(struct fb_info ＊fb_info);
Framebuffer的ioctl命令在include/linux/目录的fb.h文件中定义，如下所示：
#define FBIOGET_VSCREENINFO 0x4600 // 获得变化屏幕信息
#define FBIOPUT_VSCREENINFO 0x460l // 设置变化屏幕信息
#define FBIOGET_FSCREENINFO 0x4602 // 获得固定屏幕信息
#define FBIOGETCMAP 0x4604 // 获得映射内容
#define FBIOPUTCMAP 0x4605 // 设置映射内容
#define FBIOPAN_DISPLAY 0x4606 // 调整显示区域（虚拟显示-实际显示）
具体的Framebuffer驱动需要定义一个实现fb_info结构、实现fb_ops中的各个函数指针。从驱动程序的用户空间进行ioctl调用时，会转换成调用其中的函数。具体的Framebuffer驱动注册后，将会自动递增获得一个次设备号。
在配置Linux系统时，Framebuffer驱动的配置选项是：Device Drivers=>Graphics support。Framebuffer驱动中也包含了文本模式、控制台、启动图标（Bootup Logo）等子选项支持，具体的Framebuffer驱动由每一个平台支持。
Framebuffer驱动程序通常也支持用户空间的写操作，在系统中调试Framebuffer驱动程序，可以使用直接写驱动程序设备节点的方式，这样可以改变基本的显示情况。
例如，在Android中，可以使用如下的方式在Framebuffer中获得输出效果：
# cat init > /dev/graphics/fb0
如果屏幕大小是QVGA（640×480）的，按照以上操作，由于init文件的大小大约占到一个屏幕的显示缓冲的1/3，而init文件中的内容对于显示是杂乱的，因此可以观察到屏幕上1/3的花屏区域。
提示：如果当前Framebuffer驱动程序使用双缓冲显示方式，将会看到屏幕中交替显示的带有花屏和不带有花屏的内容，交替时间就是双缓冲刷新间隔时间。
进一步还可以使用dd命令进行指定大小的操作，如下所示：
# dd if=/dev/zero of=/dev/graphics/fb0 count=l bs=256k
命令表示向/dev/graphics/fb0设备中写入256k字节为0x0的内容，使用这个命令可以看到屏幕中的部分黑屏。
↘4.3.2 gralloc硬件抽象层
gralloc模块作为显示系统硬件抽象层，其接口的内容在gralloc.h文件中定义。此内容由实际的硬件抽象层实现，由UI库调用。
gralloc.h首先定义了一个硬件模块和两个子设备的名称，内容如下所示：
#define GRALLOC_HARDWARE_MODULE_ID "gralloc" // 硬件模块的名称
#define GRALLOC_HARDWARE_FB0 "fb0" // framebuffer设备和
#define GRALLOC_HARDWARE_GPU0 "gpu0" // GPU设备
其中，“gralloc”为这个硬件模块的名称，“fb0”和“gpu0”分别表示Framebuffer设备和GPU（Graphics Process Unit，图形处理单元）硬件设备。
gralloc硬件模块是扩展定义hw_module_t来完成的，定义如下所示：
typedef struct gralloc_module_t {
struct hw_module_t common;
int (＊registerBuffer)(struct gralloc_module_t const＊ module,
buffer_handle_t handle);
int (＊unregisterBuffer)(struct gralloc_module_t const＊ module,
buffer_handle_t handle);
int (＊lock)(struct gralloc_module_t const＊ module, buffer_handle_t handle,
int usage, int l, int t, int w, int h, void＊＊ vaddr);
int (＊unlock)(struct gralloc_module_t const＊ module, buffer_handle_t handle);
int (＊perform)(struct gralloc_module_t const＊ module, int operation, ... );
void＊ reserved_proc[7];
} gralloc_module_t;
gralloc_module_t是模块的核心，其中的几个函数指针的功能如下所示。
·registerBuffer需要在alloc_device_t::alloc之前被调用，其参数类型buffer_handle_t是内存指针；unregisterBuffer用于注销此内存。
·lock用于访问特定访问缓冲区，在调用这个接口时，硬件设备需要结束渲染或者完成同步，其参数指定一个区域。unlock用于所有buffer改变之后被调用。
·perform用于可扩展的功能，Surflinger会调用它，但是其实现是可选的。
gralloc和Framebuffer两种设备的打开和关闭使用几个静态函数表示，如下所示：
static inline int gralloc_open(const struct hw_module_t＊ module,
struct alloc_device_t＊＊ device) {
return module->methods->open(module,
GRALLOC_HARDWARE_GPU0, (struct hw_device_t＊＊)device);
}
static inline int gralloc_close(struct alloc_device_t＊ device) {
return device->common.close(&device->common);
}
static inline int framebuffer_open(const struct hw_module_t＊ module,
struct framebuffer_device_t＊＊ device) {
return module->methods->open(module,
GRALLOC_HARDWARE_FB0, (struct hw_device_t＊＊)device);
}
static inline int framebuffer_close(struct framebuffer_device_t＊ device) {
return device->common.close(&device->common);
}
gralloc_open()、gralloc_close ()、framebuffer_open ()和framebuffer_close ()这4个函数是gralloc模块特定的API。调用它们分别用于打开和关闭GRALLOC_HARDWARE_GPU0和GRALLOC_HARDWARE_FB0这两个设备。前者对应的设备为alloc_device_t结构体，后者对应的设备为framebuffer_device_t结构体。它们都“继承自”hw_device_t结构体。
alloc_device_t设备的定义如下所示：
typedef struct alloc_device_t {
struct hw_device_t common;
int (＊alloc)(struct alloc_device_t＊ dev, // 分配，以宽、高、颜色格式为参数
int w, int h, int format, int usage,
buffer_handle_t＊ handle, int＊ stride);
int (＊free)(struct alloc_device_t＊ dev, // 释放
buffer_handle_t handle);
} alloc_device_t;
alloc函数指针用于分配一块显示内存，其参数包括宽、高、颜色格式和buffer_handle_t类型的句柄，free函数指针用于释放显示内存。
framebuffer_device_t结构的定义如下所示：
typedef struct framebuffer_device_t {
struct hw_device_t common;
const uint32_t flags;
const uint32_t width; // 宽
const uint32_t height; // 高
const int stride; // 每行内容
const int format; // 颜色格式
const float xdpi; // X方向像素密度
const float ydpi; // Y方向像素密度
const float fps; // 帧率
const int minSwapInterval;
const int maxSwapInterval;
int reserved[8];
int (＊setSwapInterval)(struct framebuffer_device_t＊ window, int interval);
int (＊setUpdateRect)(struct framebuffer_device_t＊ window,
int left, int top, int width, int height);
int (＊post)(struct framebuffer_device_t＊ dev, buffer_handle_t buffer);
int (＊compositionComplete)(struct framebuffer_device_t＊ dev);
void＊ reserved_proc[8];
} framebuffer_device_t;
framebuffer_device_t设备中定义了几个通用的显示内存描述和几个函数指针，setSwapInterval用于交换显示区域；setUpdateRect用于更新指定的区域，这个函数是可选的；post用于发送某一个Buffer到屏幕上。