淺談DirectFB圖形加速在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

引 言

圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡(jiǎn)稱 GUI，又稱圖形用戶接口）是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶界面。與早期計(jì)算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)在視覺上更易于接受。GUI 即人機(jī)交互圖形化用戶界面設(shè)計(jì)?？v觀國(guó)際相關(guān)產(chǎn)業(yè)在圖形化用戶界面設(shè)計(jì)方面的發(fā)展現(xiàn)狀，許多國(guó)際知名公司早已意識(shí)到 GUI 在產(chǎn)品方面產(chǎn)生的強(qiáng)大增值功能，以及帶動(dòng)的巨大市場(chǎng)價(jià)值，因此在公司內(nèi)部設(shè)立了相關(guān)部門專門從事 GUI 的研究與設(shè)計(jì)，同業(yè)間也成立了若干機(jī)構(gòu)，以互相交流 GUI 設(shè)計(jì)理論與經(jīng)驗(yàn)為目的。隨著中國(guó) IT 產(chǎn)業(yè)，移動(dòng)通訊產(chǎn)業(yè)，家電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在產(chǎn)品的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)水平發(fā)展上日顯滯后，這對(duì)于提高產(chǎn)業(yè)綜合素質(zhì)，提升與國(guó)際同等業(yè)者的競(jìng)爭(zhēng)能力等等方面無(wú)疑起了制約的作用。GUI的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展的重大成就之一，他極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來(lái)方便地進(jìn)行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個(gè)方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點(diǎn)。

在嵌入式GUI中需要實(shí)現(xiàn)多圖形功能，包括圖形繪制以及拷貝等。其中的許多功能需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳遞（如圖形拷貝），或者需要進(jìn)行大量的數(shù)值運(yùn)算（如畫樣條曲線）。許多顯卡芯片帶有圖形處理器，能夠從硬件上實(shí)現(xiàn)一部分圖形功能。

本文就如何實(shí)現(xiàn)DirectFB的圖形加速功能做了詳細(xì)的介紹，并將實(shí)現(xiàn)之后在性能上得到的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)之前做比較，說(shuō)明DirectFB在優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)GUI上的作用。

1 DirectFB體系結(jié)構(gòu)

1.1 DirectFB簡(jiǎn)介

DirectFB是一個(gè)輕量級(jí)的提供硬件圖形加速，輸入設(shè)備處理和抽象的圖形庫(kù)，它集成了支持半透明的視窗系統(tǒng)以及在LinuxFramebuffer驅(qū)動(dòng)之上的多層顯示。它是一個(gè)用軟件封裝當(dāng)前硬件無(wú)法支持的圖形算法來(lái)完成硬件加速的層。DirectFB是為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它是以最小的資源開銷來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的硬件加速性能。DirectFB針對(duì)視頻存儲(chǔ)有自己的資源管理器。像顯示層輸入設(shè)備這樣的資源能被鎖定進(jìn)行互斥訪問。例：全屏游戲，DirectFB能對(duì)像顯示層，窗體以及各種通用的surfaces這樣的圖形目標(biāo)提供抽象。從窗體切換到全屏以及返回到窗體的編程工作被最小化設(shè)置到所期望的合作級(jí)別。它在FrameBuffer的基礎(chǔ)上提供了圖形加速、輸入設(shè)備處理提取、透明窗口和多重顯示層的功能，能夠?qū)η度胧较到y(tǒng)GUI有較好的支持。與那些通用的嵌入式GUI系統(tǒng)相比，它具有非常簡(jiǎn)潔、高效的體系結(jié)構(gòu)和硬件圖形加速功能。

1.2 DirectFB體系結(jié)構(gòu)

（1）DirectFB訪問硬件顯卡

DirectFB依賴已有的內(nèi)核接口即幀緩沖設(shè)備（／dev／fb）訪問圖形處理器，也就是說(shuō)DireetFB需要一個(gè)正在工作的幀緩沖驅(qū)動(dòng)。Linux內(nèi)核有專門的幀緩沖驅(qū)動(dòng)支持某些圖形處理器。DirectFB利用幀緩沖設(shè)備做如下工作：

◆設(shè)置顯卡工作模式（分辨率，顏色深度，時(shí)序）

◆映射顯存

◆改變幀緩沖視口（針對(duì)雙緩沖）

如果某種顯卡被DirecFB支持并且在Linux內(nèi)核中也有這種圖形處理器的幀緩沖驅(qū)動(dòng)，DirectFB利用幀緩沖設(shè)備做如下額外的工作：

◆映射顯存IO端口

◆關(guān)閉幀緩沖驅(qū)動(dòng)中自帶的加速功能

針對(duì)具體的圖形操作（例如圖片拷貝），DirectFB加速驅(qū)動(dòng)訪問顯存映射的圖形處理器I／O端口向圖形處理器提交命令。也就是說(shuō)真正的硬件加速完全是在用戶空間實(shí)現(xiàn)。這樣DirectFB就可以對(duì)它支持的圖形處理器提供最大限度的硬件圖形加速。

（2）DirectFB訪問輸入設(shè)備

DirectFB使用Linux內(nèi)核提供的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口訪問輸入設(shè)備，而不是直接訪問輸入硬件。具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 DirectFB加速驅(qū)動(dòng)原理

本節(jié)結(jié)合筆者的硬件平臺(tái)來(lái)說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)DirectFB加速驅(qū)動(dòng)，筆者所用的平臺(tái)是MPC8540，圖形處理器是Fujitsu MB86296。要實(shí)現(xiàn)DirectFB加速驅(qū)動(dòng)，需要有以下幾個(gè)模塊：系統(tǒng)、圖形加速器、屏幕及圖層。其中系統(tǒng)是指幀緩沖和硬件管理。DirectFB支持的系統(tǒng)有dev／fb、osx、sdl、xll、／dev／mem等。系統(tǒng)可以在DirectFB應(yīng)用程序配置文件directfbrc中配置。屏幕是指輸出設(shè)備，如LCD。圖層代表獨(dú)立的圖像緩沖區(qū)，一般是在顯示的時(shí)候自動(dòng)由硬件融合，硬件一般采用alpha技術(shù)融合。圖層數(shù)量的多少取決于圖形處理器，一般復(fù)雜的圖形處理器都支持多層顯示。

DirectFB驅(qū)動(dòng)的幾點(diǎn)基本要素是：

①必須賦給驅(qū)動(dòng)一個(gè)唯一的名字并且用如下宏實(shí)現(xiàn)：DFB_GRAPHICS_DRIVER（MB86296）。

②上面的宏需要定義6個(gè)函數(shù)供DirectFB Core使用，即初始化／關(guān)閉驅(qū)動(dòng)、初始化／關(guān)閉加速重獲驅(qū)動(dòng)元數(shù)據(jù)。

③在驅(qū)動(dòng)中需要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)有以下6個(gè)。

a）static int dnver_probe（Graphicsdevice*device）；

如果系統(tǒng)支持某種硬件此函數(shù)應(yīng)該返回非零值，它用DirectFB Core來(lái)探測(cè)哪個(gè)驅(qū)動(dòng)支持系統(tǒng)硬件。

b）static void driver_get_info（GraphicsDevice *device, GraphicsDriverInfo *info）；

這些函數(shù)用來(lái)設(shè)驅(qū)動(dòng)信息。

c）static DFBResult driver_init_driver （GraphicsDevice *device, GraphicsDeviceFuncs *funcs, void *driver_data, void *device_data, CoreDFB *core）；

初始化驅(qū)動(dòng)。在成功獲得所有需要的資源后驅(qū)動(dòng)應(yīng)該注冊(cè)屏幕和層。同時(shí)也需要通過funcs返回硬件加速函數(shù)列表。實(shí)現(xiàn)方式如下所示。

初始化硬件。通過GraphicsDevicelnfo*device_info設(shè)置由硬件支持的加速能力，例如Blit／Draw。具體實(shí)現(xiàn)如下：

實(shí)現(xiàn)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)時(shí)需要做的工作。

3 加速性能測(cè)試

通過筆者編寫的驅(qū)動(dòng)程序和DirectFB官方加速測(cè)試程序df_dok，可以看出加速與否對(duì)應(yīng)用程序運(yùn)行速度的影響。下面是沒有實(shí)現(xiàn)圖形加速能力的測(cè)試結(jié)果。

由上面測(cè)試結(jié)果比較可以看出，實(shí)現(xiàn)了加速能力后的DirectFB可以大大提高圖形處理能力。

結(jié) 語(yǔ)

通過筆者在某雷達(dá)系統(tǒng)上的測(cè)試可以看出，實(shí)現(xiàn)圖形加速后的GUI界面響應(yīng)較快，畫面流暢，與加速前相比圖形性能有了顯著的提高。隨著DirectFB在嵌入式系統(tǒng)，如數(shù)控、手機(jī)、嵌入式瀏覽器、PDA、雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，基于DirectFB的圖形加速將使得嵌入式系統(tǒng)GUI性能得到極大提高。