double buffer的fbdev驱动与应用

一、为何需要 double buffer？

single buffer 会导致：

屏幕撕裂（tearing），即在屏幕上同时看到多帧数据拼接在一起。

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single buffer 为何会造成撕裂：

refresh rate 和 frame rate 不一致。

refresh rate 表示的是 屏幕每秒能更新多少次显示，例如 30hz / 60hz。

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frame rate 表示的是 lcd controller / gpu 每秒能绘制多少帧数据，例如 30fps / 60fps。

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LCD controller / gpu 和 屏幕协作完成一帧图像的显示：

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在 single buffer 的场景下，LCD user 和 LCD controller / gpu 总是在共用同一个 framebuffer，且没有同步机制。

LCD user 是写者，LCD controller / gpu 是读者。

由于存在竞争关系且读写没有同步机制，framebuffer 里必须会发生同时存在frame N 和 frame N-1 的数据，此时 LCD 将 framebuffer 的数据显示出来时，就会看到撕裂的效果：

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可以通过 double buffer+vsync 解决撕裂的问题。

double buffer，顾名思义，就是有 2 个 framebuffer，其工作逻辑如下：

LCD controller ： draw fb0 to screen

LCD user ： write data to fb1

LCD controller ： draw fb1 to screen

LCD user ： write data to fb0

循环。..

vsync 机制则用于确保一帧图像能不被打断地显示在屏幕。

如何支持 double buffer？

需要驱动和应用互相配合：

二、编写支持 double buffer 的fbdev 驱动

fbdev 框图：

先梳理一下思路：

让驱动支持 double buffer 需要做 3 件事。

1. 申请2 x buffer：

size = （2 * width * height）;

fbi-》screen_base = dma_alloc_wc（sfb-》dev， size， &map_dma， GFP_KERNEL）;

2. 将 buffer 相关的信息保存 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 */

。..

}

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xres 和 yres 是真实的 LCD 分辨率的宽和长;

xres_virtual 和 yres_virtual 是显存区域的宽和长;

xoffset 和 yoffset 用于指定当前使用哪一个 Buffer 进行绘制。使用 Buffer0 时 ，xoffset = 0，yoffset=0; 使用 Buffer1 时，xoffset = 0， yoffset = yres * 1;

3. 支持切换 buffer，具体的就是实现 ioctl：FBIOPAN_DISPLAY。

pan 的本意是平移，可以想象成显存上方有一个取景框，平移取景框可以看到不同的显示内容。

实例分析：goldfishfb.c

goldfishfb.c 是虚拟硬件 goldfish 的 fbdev 驱动，我们可以参考这个文件，学习如何实现 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. 设置 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. 实现 ioctl / FBIOPAN_DISPLAY：

static struct fb_ops goldfish_fb_ops = {

。..

.fb_pan_display = goldfish_fb_pan_display，

};

int goldfish_fb_pan_display（）

{

。..

// 将新的显存地址告知 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 信号

wait_event_timeout（fb-》wait，fb-》base_update_count ！= base_update_count， HZ / 15）;

}

当LCD controller 将一帧图像完整地显示在 LCD 上后，就会产生一个中断，在中断里就会执行唤醒睡眠在 fb_pan_display 里的进程。

如果你想多了解一些，可以阅读 DRM 框架里的 fbdev 兼容代码，此代码也是支持 double buffer的：

linux/drivers/gpu/drm/*/*_drm_fbdev.c

linux/drivers/gpu/drm/drm_fb_helper.c

三、编写支持 double buffer 的 fbdev 应用

驱动支持 double buffer 后，还得在应用程序里将其使用起来。

先梳理一下思路：

检查是否支持 double buffer;

使能 double buffer：FBIOPUT_VSCREENINFO;

更新 buffer 里数据;

通知驱动切换 buffer：FBIOPAN_DISPLAY;

等待切换完成：FBIO_WAITFORVSYNC;

实例分析：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. 获得 buffer 个数

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 里的数据

buf_next = fb_base + buf_idx * screen_size;

lcd_draw_screen（buf_next， colors［i］）;

// 4. 通知驱动切换 buffer

var.yoffset = buf_idx * var.yres;

ret = ioctl（fd_fb， FBIOPAN_DISPLAY， &var）;

if （ret 《 0） {

perror（“ioctl（） / FBIOPAN_DISPLAY”）;

}

// 5. 等待帧同步完成

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;

}

运行：

$ 。/show_color single

buffer_num = 1

single buffer：

$ 。/show_color double

buffer_num = 2

double buffer：

该程序会在屏幕上循环的显示不同的颜色。

当传入 “single” 参数时，使用单 buffer，可见撕裂。

当传入 “double” 参数时，使用双 buffer，不再撕裂。

代码不是很复杂，我就不再详细分析了。

如果你想多了解一些，可以阅读开源软件 SDL-1.2 里的 sdl_fbvideo.c，此代码也支持了 double buffer。
编辑：lyn