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