OpenHarmony图形子系统入门(一) 常见概念扫盲 原创 精华

发布于 2022-1-6 16:55
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目的

由于中文圈关于图形子系统的介绍资料太少,且图形系统相对庞大复杂,对新手来说很不友好。本文从新手的角度,在对OpenHarmony 图形子系统进行移植调试的过程中,将自己逐步积累的对图形系统的认识分享出来。本文参考了众多国内外的技术文章以及来自Wiki百科的专业解释,使用通俗的语言对图形系统常见名词进行说明。详细的解释可以查询参考附录文章。

本文的图形系统主要基于OpenHarmony-3.0-LTS 版本。同时也会跟进主线进行后续的探索。旨在帮助大家在进行标准系统(L2)图形子系统移植调试中,对相关概念的快速熟悉及常用的调试方法总结。

总览

本文自下而上,从南到北去熟悉图形系统,直至与北向应用层对接,初步分以下部分:

  1. 基于DRM的基础显示系统介绍和调试。
  2. 基于Wayland 协议的图形系统介绍。
  3. Graphic 子系统封装及与应用层的对接分析。
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    先放一张总览图,帮助大家理解。我们将硬件和kernel 的组合称为平台,接下来先介绍平台的基础显示系统。

1. DRM 基础显示系统介绍

基本概念:

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DRM( Direct Rendering Manager)即直接渲染管理器。它是为了解决多个程序对 Video 硬件资源的协同使用问题而产生的,可以将它简单理解为一个仲裁器的作用。它也解决了原先Linux fbdev 无法满足对基于3D加速GPU的视频硬件控制需求的问题。

DRM 框架向用户空间提供了一组 API,提供了一系列的 ioctl操作,允许用户程序直接访问操纵 GPU以及显示模式的配置。即这两类行为:Graphics Execution Manager (GEM)、Kernel Mode-Setting (KMS)。

前者 GEM 主要是对 FrameBuffer 的管理,如显存的申请释放 (Framebuffer managing) ,显存共享机制 (Memory sharing objects), 及显存同步机制 (Memory synchronization),而后者 KMS 主要是完成显卡配置 (Display mode setting) 。

libdrm

libdrm 是个跨驱动中间件,帮助用户空间程序通过DRI协议与内核DRM Core通讯。即将drm 提供的系列 ioctl 接口进一步封装,方便用户使用。

KMS

KMS 表示 Kernel Mode Setting,是DRM API的一个子部件。用来设置显卡的模式,比如屏幕分辨率、色深、刷新率、显示通路(pipeline)选择等。KMS 也是为了解决多个模块同时进行显卡模式设置容易冲突的问题,将原先的User space Mode setting 移到 Kernel中进行统一管理,并入到DRM module中。另外如果你对fbdev比较熟悉,可以把kms 当成 fbdev的替代。

kms 设备模型:

KMS 将输出设备管理和模型化成一系列抽象的硬件模块,可以在显示控制器的显示输出管道(display output pipeline)中看到 。pipeline 一般是按这样连接的:framebuffer → plane → crtc → encoder → connector → panel。每个模块解释如下:

  • crtc (CRT controller) 表示一个扫描输出引擎。Rockchip 这里一般指 vop (Video output processer), 一般一个屏幕对应一个crtc。
  • connector 表示 video 信号输出的地方,通常就是屏幕接口,如VGA,HDMI, DP等。
  • encoder: 需要将crtc 输出的 video 时序信号编码成对应接口的格式。如TMDS、LVDS等。
  • plane 是个内存对象,包含一个将要输出给crtc 的buffer。
  • panel 就是指显示屏。

每个模块都有一个ID。如果涉及到kms 详细配置,可以参考相关的文章,这里不细展开。代码可以参考 third_party/libdrm/tests/modetest 或者 third_party/weston/libweston/backend-drm/kms.c。

调试:

系统支持DRM/KMS你就可以完成基础的显示了。比如在我的开发板上输入:

modetest -M rockchip -s 79@67:#0

(命令格式说明: -s <connector_id>@<crtc_id>:#<mode index>),这样就可以显示出一个测试图形。通常用modetest 工具来测试基础的底层显示通路是否正常。

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详细的使用可以参考下面链接的文章。
linux DRM/KMS 测试工具 modetest、kmscude、igt-gpu-tools (一)


调试完基本显示通路后,可以开始熟悉compositer了。先介绍一下wayland 协议,及常见名词概念。

2. Wayland

Wayland 是一个新的display server 和client 之间的通讯协议。使用Wayland 协议的 display server 称作 Wayland compositor, 而client 一般就是指与用户交互的应用程序。Wayland compositor 负责将来自各个client 输出的图像合成,输出至屏幕上。它优于老的 X11显示系统,Wayland 协议速度更快更安全,在触屏、HiDPI 和多屏显示上有更好的支持。它允许 client 直接进行渲染,以及调用系统级的内存管理接口。它在server 端进行窗口管理和合成,通过减少上下文切换,显著地降低复杂性和略微的提升性能。
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Wayland 协议通讯使用 Unix Domain stream socket。endpoint可通过 $WAYLAND_DISPLAY 环境变量来配置。

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关于Wayland 协议的详细文档参考文献[2]:

libwayland-client and libwayland-server

一个Wayland 协议的开源实现将其分为两个C库: libwayland-client 和 libwayland-server。主要职责就是实现互相的 Inter-process communication(IPC),确保协议对象的编组和消息同步。

Surface

一个Surface 用来管理一个矩形像素网格,client 创建它用来显示内容到屏幕上。Client 不知道它的surface 在全局中的显示位置,也无法访问其它client 的 surface。

当一个 client 完成写入 pixels 时,它会将buffer 提交(commit) 至 compositor。当compositor 用完之后,它将 buffer 释放回 client。

Weston

weston 是 Wayland compositor 的一个参考实现。

libweston 致力于将 weston 中可重用的部件封装成库。libweston 提供了大部分枯燥乏味的Wayland 协议实现,以及输入输出系统的接口,这样让只想写新的Wayland 窗口管理器(WM)或者小型桌面环境(DE)的人专注于写WM 部分。

Rendering model

Wayland 协议本身并不包含 rendering API。你可以自由选择如何实现渲染。Wayland遵循直接渲染模型(direct rendering model),渲染可以完全在 Client 端进行, 并将内容直接渲染至一个与 compositor 共享一个buffer 里面。

pixman 是一个底层的软件库用来进行像素处理,如图像合成及栅格化处理等。它主要使用CPU及一些SIMD扩展指令来进行渲染运算。相对于使用GPU速度会慢很多。如果我们想要加入GPU渲染的话,可以通过 egl接口调用一些标准的图形库(如OpenGL, OpenGL ES等)。

Backend

weston compositor 负责将合成后的图像输出至显示屏上,而drm 就可以作为其显示输出的后端。此外还可以选择fbdev、X11等作为其后端。以及最重要的ohos 定义的hdi_backend。


后面我们将对weston compositor 进行深入分析,以及介绍如何编写一个Wayland client。


附参考文献:

[1]Direct Rendering Manager - Wikipedia

[2]Wayland

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已于2022-1-6 17:15:00修改
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