做嵌入式开发，Linux应用好还是驱动好？
一、为何需要 double buffer?
single buffer会导致：
文章下方附学习资源，自助领取。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 */
...
}
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\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。
另外，现在越来越多的显示设备走的是 DRM框架，该框架自然是支持多 buffer的。
