Android显示架构
一.术语
二.显示机制
2.1 水平和垂直同步信号
在早期的CRT显示器,电子枪从上到下逐行扫描,扫描完成后显示器就呈现一帧画面。然后电子枪回到初始位置进行下一次扫描。为了同步显示器的显示过程和系统的视频控制器,显示器会用硬件时钟产生一系列的定时信号。
当电子枪换行进行扫描时,显示器会发出一个水平同步信号(horizonal synchronization),简称 HSync
当一帧画面绘制完成后,电子枪回复到原位,准备画下一帧前,显示器会发出一个垂直同步信号(vertical synchronization),简称 VSync
。
显示器通常以固定频率进行刷新,这个刷新率就是 VSync 信号产生的频率。虽然现在的显示器基本都是液晶显示屏了,但其原理基本一致。
CPU将计算好显示内容提交至 GPU,GPU 渲染完成后将渲染结果存入帧缓冲区,视频控制器会按照 VSync 信号逐帧读取帧缓冲区的数据,经过数据转换后最终由显示器进行显示。
2.2 双缓冲
在单缓冲下,帧缓冲区的读取和刷新都都会有比较大的效率问题,经常会出现相互等待的情况,导致帧率下降。
为了解决效率问题,GPU 通常会引入两个缓冲区,即 双缓冲机制。在这种情况下,GPU 会预先渲染一帧放入一个缓冲区中,用于视频控制器的读取。当下一帧渲染完毕后,GPU 会直接把视频控制器的指针指向第二个缓冲器。
2.3 垂直同步
缓冲虽然能解决效率问题,但会引入一个新的问题。当视频控制器还未读取完成时,即屏幕内容刚显示一半时,GPU 将新的一帧内容提交到帧缓冲区并把两个缓冲区进行交换后,视频控制器就会把新的一帧数据的下半段显示到屏幕上,造成画面撕裂现象:
为了解决这个问题,GPU 通常有一个机制叫做垂直同步
(简写也是V-Sync),当开启垂直同步后,GPU 会等待显示器的 VSync 信号发出后,才进行新的一帧渲染和缓冲区更新。这样能解决画面撕裂现象,也增加了画面流畅度,但需要消费更多的计算资源,也会带来部分延迟。
三. Android中使用3D、2D引擎
3.1 Android如何使用2D、3D引擎
Android在启动后,会在运行时根据配置文件加载OpenGL(libagl & libhgl)的实现,如果有libhgl实现,默认使用libhgl实现,否则使用libagl实现。
3.2 Android OpenGL动态库使用方法
1. 判断是否含有egl.cfg文件,如果没有在加载libagl
2. 如果有egl.cfg文件,则解析egl.cfg文件,根据egl.cfg文件加载对应libhgl和libagl
3. 分别解析libagl和libhgl,获取libagl和libhgl中标准OpenGL函数的函数地址(函数指针)
4. 系统在执行过程中,会通过函数指针调用到libagl或者libhgl中去,从而实现图形的绘制。
3.3 OpenGL在Android中两个作用
1)用于Surface的composition操作。
SurfaceFlinger会调用到OpenGL中,通过libagl或者libhgl做Surface的组合、叠加操作。
2)用于图形图像的渲染
Android framework会对OpenGL实现进行java层次的简单封装,在java应用程序中对OpenGL的调用最终会调用到libagl或者libhgl中去。
很多第三方游戏、3D图库、某些launcher会使用OpenGL实现比较炫丽UI的特效。
3.4 Copybit在Android中的作用
Copybit在Android中主要用于Surface的composition操作。
3.5 Skia在Android中的作用
Skia是Android的2D图形库,用于绘制文字、几何图形、图像等。
Skia的设备后端:Raster、OpenGL、PDF
四. GPU硬件加速
4.1 Linux内核方面:
1.添加GPU驱动支持,以模块方式编译GPU驱动,Android启动时加载内核模块。
2.添加PMEM支持,预留内存供GPU使用
4.2 Android方面:
1.添加copybit HAL
我们使用copybit调用2D engine对surface composition进行硬件加速。这样可能会达到更大的性能提升效果(比起使用3D engine).
2.修改gralloc
gralloc负责显存等的分配,以及对framebuffer操作。如果使用copybit,必须修改gralloc
3.修改libagl
如果使用copybit,必须修改libagl,对libagl做部分hack,使之能够调用到copybit。
4.修改surfaceflinger
如果使用 copybit可能需要做部分修改
参考:
最容易被忽略的重要知识点!Android屏幕刷新机制—VSync、Choreographer 全面理解!
简书图形显示架构整理:
https://www.jianshu.com/u/f92447ae8445
Android P 图像显示系统(二)GraphicBuffer和Gralloc分析:
https://itpcb.com/a/237851
努比亚技术团队画面显示流程分析:
https://www.jianshu.com/p/df46e4b39428
Android 显示系统:OpenGL简介和Gralloc代码分析
https://www.cnblogs.com/blogs-of-lxl/p/11278413.html
深入GPU硬件架构及运行机制:
https://www.cnblogs.com/timlly/p/11471507.html#52-%E6%B8%B2%E6%9F%93%E4%BC%98%E5%8C%96%E5%BB%BA%E8%AE%AE
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