Android 显示系统

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Android display system introduce（Qualcomm 8x60 platform）（二、SW架构--1）

2010-12-31 11:17

一、Overview

    上图的原型取自高通的文档，由于原图无法描述现有的架构，我在原图的基础了做了些修改，主要是增加了overlay部分，另外其他部分根据现有的软件也做了些许改动。下面先对上图做个大概的介绍，后面会针对重点部分做详细的分析。

         最上面一层为应用程序，根据数据类型以及应用的不同可以分为几种。

第一种是最普通的应用，如UI界面的显示，这部分通常数据类型为RGB格式，数据无须再经过特殊的处理。该应用可以说遍布各个应用程序，几乎是实时存在的。

第二种是针对大块YUV数据的应用，如camera的preview、视频的播放等。该应用只针对特定的应用程序，开启时通过overlay直接把大块的YUV数据送到kernel显示。

        第三种其实和第一种类似，只不过由于应用的需求在显示之前需要对数据进行2D、3D的处理（使用OpenGL、OpenVG、SVG、SKIA），处理之后的流程和普通的显示就没什么差别了。一般在Game、地图、Flash等应用中会用到。

        应用之下是framework，其中最核心的就是surfaceflinger了，它为所有的应用程序的显示提供服务。由于overlay的接口挂在surfaceflinger里面（虽然2者在功能上不相干），所有使用overlay的AP需要通过surfaceflinger才可以访问overlay；另外，由于surfaceflinger需要使用OpenGL来compose surface，这也就是为什么surfacelfinger会调用EGL wrapper了，EGL wrapper是对Graphics HAL的封装，除了surfaceflinger会调用它来compose surface外，上层的2D、3D应用也会调用它来进行图形处理。

        再下一层就是HAL了。

首先一个是overlay模块，对上提供control channel和data channel；对下则通过系统调用到kernel中的MDP driver。

再一个是Gralloc模块，注意它是和overlay并列的，它包含2个部分，一部分是为上层提供pmem的接口，另一部分则是对framebuffer进行刷新，这里的framebuffer其实就是UI的数据。由此可见上层有2个通道把显示数据送到kernel中，framebuffer是传统的方式，overlay是android（éclair以后）后增加的。

         红色及右边部分是OpenGL的HAL，其中红色部分代表HW solution，高通提供的，这部分是没有源码的；右边的software graphics library是SW solution，android自身的。HW和SW solution可以同时存在也可以只有一个，后面会讲解。

        再往下就是kernel中的driver了，最主要的就是fb设备驱动以及MDP4 overlay的驱动，从硬件上看2者是并列的，framebuffer最终也是通过overlay方式送入MDP的。PMEM和KGSL分别对应kernel中pmem的driver（/dev/pmem）和Adreno220的driver。

二、Surfaceflinger详解

1.overview

        Surfaceflinger可以说是Android显示系统中的核心，在android当中它是一个service，提供系统范围内的surface composer 功能，它能够将各种应用程序的2D 、3D surface 进行组合，合并最终得到的一个main surface数据会送入显存。简单的说，surfaceflinger就像是画布，它不关心画上去的内容，只是一味的执行合成功能，当然要根据画的位置、大小以及效果等参数。这很像Photoshop中的各个Layer，你可以在不同的layer画任意的内容，每个layer可以设置位置、大小、效果参数等，最终通过merge合成一个layer。

        从应用的角度看，每个应用程序可能对应一个或多个图形界面，每个界面可以看作是一个surface。首先每个surface有它的位置、大小、内容等元素，这些元素是可以随便变化的；另外不同的surface的位置会有重叠，会涉及到透明度等效果处理问题，这些都是通过surfaceflinger来完成的。当然了，surfaceflinger担任是一个管理的职责，对于效果处理及合成它是通过OpenGL来做的，但前提是surfaceflinger需要把相关参数计算好，如重叠的位置等。

2.Surfaceflinger在系统中的位置

Android中的图形系统采用Client/Server架构。服务端负责Surface的合成等处理工作，客户端提供接口给上层操作自己的Surface，并向服务端发送消息完成实际处理工作。服务端 (即SurfaceFlinger)主要由c++代码编写而成。客户端端代码分为两部分，一部分是由Java提供的供应用使用的api,另一部分则是由c++写成的底层实现。如下图所示：

除去最上层的应用不算，surface最上层的接口就是java surface了，文件路径如下：

frameworks/base/core/java/android/view/Surface.java，该文件中的接口会被应用间接调用。

我们从JNI开始看，surface的JNI文件路径如下：

frameworks/base/core/jni/android_view_Surface.cpp，里面的接口大概分为2类，一类是负责管理ibinder通信的；另一类才是和显示控制相关的，第二类接口会直接调用C实现函数。

C实现的文件路径如下：

frameworks/base/libs/ui/Surface.cpp

        我们来看看JNI中一些重要的接口：

        SurfaceSession_init：本接口只会被调用一次，负责创建surfacecomposerclient，主要为进程间通信做准备。对应的销毁函数有SurfaceSession_destroy和SurfaceSession_kill。

Surface_init：负责创建surface，最终会调用到surfaceflinger中的createSurface，对应的销毁函数有Surface_destroy和Surface_release。

Surface_lockCanvas：当对一个surface进行绘图之前要调用的，将该surface锁定，并且得到surface的back buffer，应用可以绘图。

Surface_unlockCanvasAndPost：当上层绘图完毕后，通过该函数通知底层back buffer已绘制完毕，可以更新到显存中。

Surface_setLayer/

Surface_setPosition/

Surface_setSize/

Surface_hide/

Surface_show/

Surface_setOrientation/

Surface_freeze/

Surface_unfreeze

Surface_setFlags/

Surface_setAlpha/

Surface_setMatrix:设置surface的一些属性，如大小、位置、方位、截取范围，Z－order等。其最终改变的都是surface的结构体属性，如下：

            uint32_t        what;//哪一项属性改变

            int32_t         x;//显示位置

            int32_t         y; //显示位置

            uint32_t        z; //layer顺序

            uint32_t        w;//宽度

            uint32_t        h;//高度

            float           alpha;//透明度

            uint32_t        tint;//色彩，未使用

            uint8_t         flags;// 标志

            uint8_t         mask;//屏蔽命令

            uint8_t         reserved;

            matrix22_t      matrix;//截取范围

            Region          transparentRegion;//透明度设置

3.JNI与Surfaceflinger的连接通讯

由于JNI及C函数实现与surfaceflinger不在同一个进程（一个在应用端－客户端，另一个在服务端），android中通过IPC（Binder）方式实现进程间通信，下图来源于网上，不过我修改了里面的一些错误，它演示了JNI和surfaceflinger建立连接以及创建surface的流程。

JNI和C函数实现我们看作是一个部分

这里看到一个比较重要的部分——SurfaceComposerClient，它是surfacelinger的客户端，通过它上层才可以和surfaceflinger使用Binder联系到一起，IsurfaceComposer和IsurfaceFlingerClient都是用来实现Binder通信的。具体流程讲解 如下：

应用程序通过JNI接口SurfaceSession_init创建SurfaceComposerClient。通过SurfaceComposerClient函数中调用getComposerService获得IsurfaceComposer的IBinder对象，然后通过这个对象的createConnection又获得IsurfaceFlingerClient的IBinder，通过这个IBinder，JNI就可以调用Surfaceflinger中的接口了，如createSurface。由于采用Binder方式，代码部分稍微复杂一些，需要多看几遍才能把流程理清楚。

4.Surfaceflinger与libui、OpenGL、显示设备的连接

这里不得不提到android对媒体框架中一个很重要的部分，那就是libui，它是一个框架库提供对底层操作的接口，比如会调用Gralloc、Overlay等HAL层接口。其他的库类继承的方式来调用libui，surfaceflinger就是这样和显示设备连接的（包括写显存和对pmem的使用）

Surfaceflinger使用OpenGL来合成surface，所以surfaceflinger会直接调用到OpenGL的接口。

它们的架构如下：

 

这部分的流程比较复杂，主要是各个类的继承绕的比较多，我也是看了很多遍代码以及参考了些资料才理出来，下面来详细解释下这个图：

Surfaceflinger在设计时考虑到支持多个屏幕，但目前的版本只支持一个，在surfaceflinger当中一个显示设备对应一个图中的DisplayHardware，surfaceflinger在初始化时会新建Displayhardware（请参考surfaceflinger.cpp中的readyToRun函数），它完成的主要任务一个是建立FramebufferNativeWindow，确定数据输出设备接口（请参考FramebufferNativeWindow.cpp），再一个就是初始化OpenGL，并创建main surface，后续surfaceflinger中所有的layer最终都将被画到这个main surface上（请参考displayhardware.cpp的init函数）。这样main surface、OpenGL和libui中的FramebufferNativeWindow接口就绑定在一起。

由于libEGL负责所有layer的最终合成，所以最后数据送往HAL一定要libEGL来触发，对应的函数流程是：

postFrameBuffer(surfaceflinger)－>Flip(displayhardware)－> eglSwapBuffers(OpenGL)-> queueBuffer(libui)->fbpost(gralloc)

另外图中的GraphicBuffer是libui中提供的对pmem的操作接口，它会直接调用gralloc模块。关于OpenGL和Gralloc后面会有单独的章节来介绍。

 

           

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