DirectFB在Davinci平台上的应用分析报告

DirectFB在Davinci平台上的应用分析报告内容简介：1.概述根据目前ＳＴＢ的媒体表现形式不足和将来的功能扩展需求，需要有一套稳定、灵活的显示设备、输入设备适配层。 DirectFB（以下简称DFB）是针对嵌入式系统资源和性能特点而设计的一套图形库。我们在这里 1.概述
根据目前ＳＴＢ的媒体表现形式不足和将来的功能扩展需求，需要有一套稳定、灵活的显示设备、输入设备适配层。 DirectFB（以下简称DFB）是针对嵌入式系统资源和性能特点而设计的一套图形库。我们在这里对DFB在Davinci平台上的可用性做一次分析。
分析的主要内容有：
1)      代码的编译选项
2)      图形库主要特性
3)      典型应用程序启动、画图显示过程分析
4)      分析DFB在Davinci平台上应用的可行性
2.编译选项
./configure  CC=arm_v5t_le-gcc CXX=arm_v5t_le-g++ AR=arm_v5t_le-ar  RANLIB=arm_v5t_le-ranlib LD=arm_v5t_le-ld CFLAGS="-O2 -ffast-math -pipe" CPPFLAGS=-I/home/cnc/devkit/arm/v5t_le/target/usr/include   LDFLAGS="-L/home/cnc/devkit/arm/v5t_le/target/lib -L/home/cnc/devkit/arm/v5t_le/target/usr/lib"  --host=arm-linux --build=i386  --prefix=/home/cnc/root-nfs/usr/local  --exec-prefix=/usr/local --enable-debug  --enable-trace    --enable-static --enable-multi --enable-fbdev --without-tools   --with-gfxdrivers=davinci
上面的编译选项中：   
--enable-multi   允许多进程间共享显示设备（下面的分析都是基于此编译条件）
        --enable-debug   允许调试信息与断言
        --enable-trace   允许运行时堆栈跟踪

当DFB图形库编译安装成功后，我们需要编写DFB在目标系统上的运行配置。
directfbrc是DFB图形库启动的配置文件，配置方式分为：
系统级配置：a system-wide one stored in /etc/directfbrc
用户级配置：a per-user $HOME/.directfbrc which may override system settings.
也可以通过应用程序（basename of argv[0])）传入：/etc/directfbrc.$0 或$HOME/.directfbrc.$0
下面是配置文件的具体示例，更详细的配置方式请参阅文档Man page of DIRECTFBRC.mht：
system=fbdev
fbdev=/dev/fb0
mode=720x576
depth=16
pixelformat=RGB16

systems指定显示系统接口，目前可选接口有：
dvevm:直接操作硬件地址空间适配层代码
fbdev: 输出到frame buffer。
osx:   输出到mac os上。
vnc： 输出到Virtual Network Computing（类似于微软远程桌面的一个协议）。
x11： 输出到X Window上
sdl：  输出到Simple DirectMedia Layer。
这里我们使用framebuffer接口。
mode指定显示设备的分辨率；
depth为像素位数；
pixelformat指定显示设备像素格式。


3.DFB图形库关键模块－fusion
在介绍DFB之前先介绍一下DFB多进程共享同一显示资源的核心模块fusion。在传统的DFB应用中，所有的应用程序都在一个进程中，在性能上，有一些优势，然而一个应用程序不稳定会造成整个系统的不稳定。若采用C/S模型，无疑是重蹈X Widnow的覆辙，会丧失性能上的优势。所以DirectFB采用了另外一种方式，与C/S相区别，称之为主从模型（Master/Slave）。它加了一个称之为fusion的内核模块。Fusion是熔化的意思，多个应用程序在不同的进程空间里，通过这个内核模块通信，在这里，一切都溶为一体。Master应用程序负责初始化一个称为竟技场(Arena)的东西，其它Slave应用程序可以加入(join)或者退出(leave)竟技场。当Master退出时，则其它所有Slave都必须退出。Fusion里采用了Reactor模式，每个应用程序可以通过ioctl向reactor注册事件处理器，当有事件发生时，reactor会把事件写入到所注册了的应用程序的fusion文件描述符时，之后应用程序可以从fusion文件描述符里读取到事件数据。当然，应用程序也可以通过ioctl发送事件给其它应用程序，reactor也会把事件分发给其它应用程序。


/*关于fusion的调用函数定义都是通过FUSION_OBJECT_METHODS这个宏定义实现的*/
消息分发线程的创建
DirectFBCreate
fusion_enter>>>Master应用程序初始化或join Arena，挂在/dev/fusionN
direct_thread_create( DTT_MESSAGING, fusion_dispatch_loop, world, "Fusion Dispatch" );
fusion_dispatch_loop>>>启动消息分发线程

以注册Surface对象的Flip事件为例说明fusion注册事件流程
IDirectFB_CreateSurface>>>创建一个surface对象
IDirectFBSurface_Construct>>>
dfb_surface_attach( surface,IDirectFBSurface_listener, thiz, &data->reaction ); >>注册surface
                                                                                                        listener
fusion_reactor_attach>>注册surface 相关的回调函数
ioctl( _fusion_fd( reactor->shared ), FUSION_REACTOR_ATTACH, &attach )
发送Surface Flip事件
dfb_surface_flip( data->surface, false );>>> 改变surface buffer index
dfb_surface_notify( surface, CSNF_FLIP );>>>
dfb_surface_dispatch( surface, &notification, dfb_surface_globals );>>> 通过fusion通知进行surface_listener flip操作



下面以触摸屏为例介绍笔点事件的过程：
1）初始化时，driver_open_device创建一个进程，挂在/dev/input/event0上，等待笔点事件。
2）初始化时，应用程序创建另外一个线程，挂在/dev/fusionN(不同的应用程序N值不同)上。
3) 当有笔点事件时，通过函数调用dfb_input_dispatch-->fusion_reactor_dispatch->ioctl (FUSION_REACTOR_DISPATCH)把消息丢给内核模块。
4) 内核模块中的Reactor把事件数据写入到各个所注册的事件处理器的/dev/fusionN里。
5) 应用程序从/dev/fusionN文件中取得事件数据，并调用应用程序内部的reactor处理函数，一般是IDirectFBEventBuffer_InputReact/IDirectFBEventBuffer_WindowReact两个函数。
6) 然后，在IDirectFBEventBuffer_InputReact/IDirectFBEventBuffer_WindowReact两个函数中，调用IDirectFBEventBuffer_AddItem把事件加入到窗口的事件队列中。
7) 在应用程序的主线程中，就可以通过调用窗口的GetEvent函数从事件队列中获取事件了，最后，把获取的事件分发到各个窗口事件处理函数中。

3.通过调试信息来分析DFB核的启动过程：
所有基于DFB显示的应用程序运行前都需要调用下面两个接口函数:
DirectFBInit和DirectFBCreate。
DirectFBInit中通过读取DFB配置文件、DFB环境变量，解析入口参数来初始化全局配置。
DirectFBCreate完成整个图形库创建使用前资源申请、核心对象创建的工作。

我们用下面的log来跟踪DFB Core的创建过程：（蓝色为解释，黑色为打印的log）
=======================|  DirectFB 1.1.1  |=======================
          (c) 2001-2007  The DirectFB Organization (directfb.org)
          (c) 2000-2004  Convergence (integrated media) GmbH
        ------------------------------------------------------------
//指示当前DFB图形库为支持多进程共享方式，且通过dfb_system_lookup在/usr/local/lib/directfb-1.1.1/system中遍历加载图形接口库，找到配置文件中指定的system
(*) DirectFB/Core: Multi Application Core. (2008-02-28 06:31) [ DEBUG ][ TRACE ]

//dfb_core_create>>>fusion_enter>>>
//fusion_enter 解释为Enters a fusion world by joining or creating it.，说明每当一个进程调用DFB图形库都会获取一个world index，打开对性的Fusion Kernel Device“/dev/fusion(0~8)”
，且同时支持的最大数量为FUSION_MAX_WORLDS=8
//提示目前内核版本存在MADV_REMOVE漏洞
(*) Fusion/SHM: NOT using MADV_REMOVE (2.6.10.0 02060a00]

//dfb_core_create>>>fusion_enter>>>/* Start the dispatcher thread. */
                       direct_thread_create( DTT_MESSAGING,fusion_dispatch_loop,world, "Fusion Dispatch" );启动消息接收处理线程，负责接收来自其他进程的消息
(*) Direct/Thread: Running 'Fusion Dispatch' (MESSAGING, 1297)...

//dfb_core_create>>>dfb_system_thread_init>>>system_funcs->ThreadInit()(fbdev.c-system_initialize)>>>dfb_vt_initialize>>>vt_init_switching
(*) Direct/Thread: Running 'VT Switcher' (CRITICAL, 1307)...

//下面以加载鼠标为例说明驱动Probe过程，Keyboard ,显卡MMX 过程都类同
//在循环打开动态库的同时完成下面过程DFB_INPUT_DRIVER( ps2mouse )>>>driver_open_device>>>
/* start input thread */     data->thread = direct_thread_create( DTT_INPUT, linux_input_EventThread, data, "Linux Input" );
(*) Direct/Thread: Running 'PS/2 Input' (INPUT, 1321)...
(*) DirectFB/Input: IMPS/2 Mouse 1.0 (directfb.org)
(*) Direct/Thread: Running 'Keyboard Input' (INPUT, 1322)...
(*) DirectFB/Input: Keyboard 0.9 (directfb.org)
//Generic 软件渲染
(*) DirectFB/Graphics: Generic Software Rasterizer 0.6 (directfb.org)
//创建窗口管理器
(*) DirectFB/Core/WM: Default 0.3 (directfb.org)

//以devfb为例说明分辨率、像素格式的检测过程
1.注册devfb region测试函数:
fbdev.c system_initialize
>>>/* Register primary layer functions */
     dfb_layers_register( screen, NULL, &primaryLayerFuncs );
2.完成测试过程：
DirectFBCreate>>>IDirectFB_Construct>>>
if (dfb_core_is_master( core )) {
          ret = InitLayers( thiz, data );
>>>dfb_layer_context_test_configuration
>>> funcs = layer->funcs;
    /* Test the region configuration. */
     if (region_config.buffermode == DLBM_WINDOWS) {}
     else{  /* Let the driver examine the modified configuration. */
          ret = funcs->TestRegion( layer, layer->driver_data, layer->layer_data,
                                   &region_config, &failed );
     }
(*) FBDev/Mode: Testing 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Preparing switch to 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Testing 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Preparing switch to 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Testing 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Preparing switch to 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Testing 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Preparing switch to 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Testing 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Preparing switch to 720x576 RGB16

(*) FBDev/Surface: Allocated 720x576 16bit RGB16 buffer at offset 0 and pitch 1440.
(*) FBDev/Mode: (Post)Setting 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Switched to 720x576 (720x576) at 16 bit RGB16 (wanted RGB16).
(*) FBDev/Mode: Testing 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: Preparing switch to 720x576 RGB16
(*) FBDev/Mode: (Post)Setting 720x576 RGB16
-------------------------woods---------df_fire---DirectFBCreate success
4.DFB画图流程
4.1在分析画图流程前先罗列一下DFB中关于图形相关名词
Blitting
Blitting是只图像数据的拷贝过程。举一个最简单的例子就是当两个Surface有相同的大小，颜色深度和像素格式时，Blitting 其中一个Surface 到另一个Surface。在这个过程中内存只被复制而没有被处理(就像复制其他任何类型的数据一样)。除此之外还有更高级的带alpha通道的blitting或者带不同像素格转换功能的blitting。许多图形显卡是由硬件Blitting来完成多种格式数据的传输和操作。一般来讲在完成Blitting操作后，我们即可在显示设备上看到要显示的内容。
Surface
Surface 是图像以一种具体的像素格式被保存的一块内存区域。一个Surface
可以位于显存或系统内存中。可以在一个Surface上进行画图操作或者把一个Surface
Blitting到另一个上。
在全屏模式下时，屏幕中的可视区称为”主Surface”，所以可以直接在屏幕的可
视区完成图形操作。
为了避免闪烁问题，每个Surface 都可以选择双缓冲，图形操作将首先在辅助缓冲区中执行然后采用Flip操作将其显示到可视区域。
SubSurface
SubSurface使用和Surface相同的接口。它代表父类Surface的一个区域并且没有
为自己分配任何系统或显存空间。
Layer
针对不同的显卡而言可能存在有一个或者多个显示层。一个标准的PC显卡只有一个层，但是对于嵌入式设备而言可能不只一个，比如TI Davinci平台的Video Processing Back End就包含4个硬件Layer，每个Layer都有独立的显存和显示控制特性。常用的硬件alpha blend也多半都是基于这些硬件Layer完成的。其中真对STB应用，有一个比较特殊的Layer即Video层，一般情况下Video层都是位于底层且不支持透明，有的还支持硬件缩放，YUV、RGB颜色空间转换功能。真对硬件Layer的特点， DFB相应的实现了一些型号的显卡驱动。

Window / Windowstack
为了达到多显示对象的独立控制，DFB设计了一个Window管理器对某一个Layer上显示内容进行管理。每个Window有独立的Surface进行画图操作，Window之间可以有重叠、聚焦、透明处理、获取事件等操作，增加了应用程序显示的多样性和灵活性。多个Window组成了一个WindowStack。
4.2下图所示为DFB类间简单逻辑关系
1 个screenàN个 Layer    (Davinci上为2个Video Layer 2个OSD Layer)
1个 Layer à N个 Window
1 个Window à N 个 Region
以上的N都是有最大值的，这里只代表多个的意思。

4.2以在Davinci平台的OSD Layer上的显示为例，分析DFB的画图流程：

情况1：如果我们不基于Window管理器，直接在OSD Layer上画图的流程
dfb->CreateSurface( dfb, &desc, &primary ); >>>获取OSD Layer的primary Surface
primary->SetColor(primary,0x55,0x55,0x00,0xff);
primary->FillRectangle(primary,0,0,80,80);>>> 填充一个长宽都为80的矩形区域
IDirectFBSurface_FillRectangle>>>surface矩形填充接口
dfb_gfxcard_fillrectangles>>>抽象出来的显卡矩形填充接口
dfb_gfxcard_state_check>>>检测是否存在显卡的硬件加速渲染接口      card->funcs.FillRectangle>>>通过函数指针调用显卡驱动
gFillRectangle>>>如果不存在则使用软件渲染函数，即直接对显存进行内存拷贝操作
primary->Flip( primary, NULL, 0 );

dfb_surface_flip( data->surface, false );>>> 改变surface buffer index
dfb_surface_notify( surface, CSNF_FLIP );>>>
dfb_surface_dispatch( surface, &notification, dfb_surface_globals );>>> 通过fusion通知进行surface_listener flip操作
fusion_reactor_dispatch>> ioctl (FUSION_REACTOR_DISPATCH)把消息丢给内核模块。

IDirectFBSurface_Flip>>> surface_listener收到消息后调用
dfb_back_to_front_copy >>>显示缓冲区之间的交换
情况2：基于Window管理器的画矩形框流程
dfb->GetDisplayLayer( dfb, DLID_PRIMARY, &layer )>>>获取Layer对象
layer->CreateWindow( layer, &desc, &window2 )；>>>在创建Window对象，并将其加入Window Stack
window2->GetSurface( window2, &window_surface2 );>>>获取Window的Surface
window2->SetOpacity( window2, 0xFF );>>>设置Window为不透明
window2->CreateEventBuffer( window2, &buffer );>>>创建Window事件缓冲区
window_surface2->SetColor( window_surface2,0x00, 0x30, 0x10, 0xc0 );>>>设置Surface上画笔的颜色
window_surface2->DrawRectangle( window_surface2, 0, 0, desc.width, desc.height );>>>在Window2上的Surface画出矩形框
window_surface2->Flip( window_surface2, NULL, 0 );>>>显示Surface2上的图像缓存
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝需要进一步补充