DirectFB图形加速在嵌入式系统中的应用 - 软件编程/OS - 电子

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<strong>引言</strong>

在嵌入式GUI 中需要实现多图形功能，包括图形绘制以及拷贝等。其中的许多功能需要进行大量的数据传递(如图形拷贝)，或者需要进行大量的数值运算(如画样条曲线)。如果这些功能都由纯软件实现的话，会占用大量的CPU时间并且需要传递大量的数据，从而影响了图形性能。许多显卡芯片带有图形处理器，能够从硬件上实现一部分图形功能。支持硬件加速的图形库可以通过图形处理器实现这些图形功能，从而减轻了CPU的负担并减少了数据在总线上的传输时间，提高了图形性能。

本文就如何实现DirectFB的图形加速功能做了详细的介绍，并将实现之后在性能上得到的改进与实现之前做比较，说明DirectFB在优化嵌入式系统GUI上的作用。

<strong>1 DirectFB体系结构</strong>

1．1 DirectFB简介

DirectFB项目是由德国Convergence公司推动的Open source计划的一部分，它是专门为满足嵌入式设备要求而开发的小巧、强大、灵活和易于使用的图形系统，并且试图成为一个建构于Linux Framebuffer Device之上的新图形标准。它在FrameBuffer的基础上提供了图形加速、输入设备处理提取、透明窗口和多重显示层的功能，能够对嵌入式系统 GUI有较好的支持。与那些通用的嵌入式GUI系统相比，它具有非常简洁、高效的体系结构和硬件图形加速功能。

1．2 DirectFB体系结构

(1)DirectFB访问硬件显卡

DirectFB依赖已有的内核接口即帧缓冲设备(／dev／fb)访问图形处理器，也就是说DireetFB需要一个正在工作的帧缓冲驱动。 Linux内核有专门的帧缓冲驱动支持某些图形处理器。对于不支持的图形处理器，内核提供VE—SA帧缓冲(这种帧缓冲有一些限制)。DirectFB利用帧缓冲设备做如下工作：

　　◆设置显卡工作模式(分辨率，颜色深度，时序)
　　◆映射显存
　　◆改变帧缓冲视口(针对双缓冲)

如果某种显卡被DirecFB支持并且在Linux内核中也有这种图形处理器的帧缓冲驱动，DirectFB利用帧缓冲设备做如下额外的工作：

　　◆映射显存IO端口
　　◆关闭帧缓冲驱动中自带的加速功能

针对具体的图形操作(例如图片拷贝)，DirectFB加速驱动访问显存映射的图形处理器I／O端口向图形处理器提交命令。也就是说真正的硬件加速完全是在用户空间实现。这样DirectFB就可以对它支持的图形处理器提供最大限度的硬件图形加速。上层APl支持DirectFB的有：XdirectFB、DirectFBGL、GTK+、DFBTerm、DFBSee、DFBPoint、MythTV、Qt on DirectFB、SDL等。

(2)DirectFB访问输入设备

DirectFB使用Linux内核提供的标准设备接口访问输入设备，而不是直接访问输入硬件。具体的结构如图1所示。


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<strong>2 DirectFB加速驱动原理</strong>

本节结合笔者的硬件平台来说明如何实现DirectFB加速驱动，笔者所用的平台是MPC8540，图形处理器是Fujitsu MB86296。要实现DirectFB加速驱动，需要有以下几个模块：系统、图形加速器、屏幕及图层。其中系统是指帧缓冲和硬件管理。DirectFB 支持的系统有dev／fb、osx、sdl、xll、／dev／mem等。系统可以在DirectFB应用程序配置文件directfbrc中配置。屏幕是指输出设备，如LCD。图层代表独立的图像缓冲区，一般是在显示的时候自动由硬件融合，硬件一般采用alpha技术融合。图层数量的多少取决于图形处理器，一般复杂的图形处理器都支持多层显示。一层内容的改变不影响其他层的内容。

DirectFB驱动的几点基本要素是：

　　①必须赋给驱动一个唯一的名字并且用如下宏实现：DFB_GRAPHICS_DRIVER(MB86296)。

　　②上面的宏需要定义6个函数供DirectFB Core使用，即初始化／关闭驱动、初始化／关闭加速重获驱动元数据。

　　③在驱动中需要实现的函数有以下6个。

　　a)static int dnver_probe(GraphicsDevice*device)；

　　如果系统支持某种硬件此函数应该返回非零值，它用DirectFB Core来探测哪个驱动支持系统硬件。

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

　　这些函数用来设驱动信息。

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

初始化驱动。在成功获得所有需要的资源后驱动应该注册屏幕和层。同时也需要通过funcs返回硬件加速函数列表。实现方式如下所示。


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初始化硬件。通过GraphicsDevicelnfo*device_info设置由硬件支持的加速能力，例如Blit／Draw。具体实现如下：


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实现关闭驱动时需要做的工作。

<strong>3 加速性能测试</strong>

通过笔者编写的驱动程序和DirectFB官方加速测试程序df_dok，可以看出加速与否对应用程序运行速度的影响。下面是没有实现图形加速能力的测试结果。


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由上面测试结果比较可以看出，实现了加速能力后的DirectFB可以大大提高图形处理能力。

<strong>结语</strong>

通过笔者在某雷达系统上的测试可以看出，实现图形加速后的GUI界面响应较快，画面流畅，与加速前相比图形性能有了显著的提高。随着 DirectFB在嵌入式系统，如数控、手机、嵌入式浏览器、PDA、雷达等领域的应用越来越广泛，基于DirectFB的图形加速将使得嵌入式系统 GUI性能得到极大提高。加速驱动程序在DirectFB图形库中的实现，充分利用了图形加速器的加速功能，减轻了CPU的数据处理负担，大大提高了嵌入式系统的GUI性能。

<strong>参考文献</strong>

1. 伍铁晟.卢延云 嵌入式 Linux中图形界面硬件加速的优化设计 [期刊论文] -计算机工程与应用2004(33)
2. 阴雷鸣.刘少君.裴海龙.才华 DirectFB 在数控系统中的实现与应用 [期刊论文] -微计算机信息2006(23)
3. 徐智林.周可风.林金龙 一种基于嵌入式Linux图形用户接口的实现 [期刊论文] -电脑开发与应用2006(1)
4. 翟翔 嵌入式中间件开源引擎DirectFB 2006(5)
5. 安德斯·亨特 DirectFB综述 2004

作者：刘小双 李建平 (电子科技大学) 郑志国 (中国电子科技集团第十研究所)
来源：单片机与嵌入式系统应用2009 (3)