淺談DirectFB圖形加速在嵌入式系統(tǒng)中的應用

引 言

圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱 GUI，又稱圖形用戶接口）是指采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面。與早期計算機使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說在視覺上更易于接受。GUI 即人機交互圖形化用戶界面設計。縱觀國際相關產業(yè)在圖形化用戶界面設計方面的發(fā)展現狀，許多國際知名公司早已意識到 GUI 在產品方面產生的強大增值功能，以及帶動的巨大市場價值，因此在公司內部設立了相關部門專門從事 GUI 的研究與設計，同業(yè)間也成立了若干機構，以互相交流 GUI 設計理論與經驗為目的。隨著中國 IT 產業(yè)，移動通訊產業(yè)，家電產業(yè)的迅猛發(fā)展，在產品的人機交互界面設計水平發(fā)展上日顯滯后，這對于提高產業(yè)綜合素質，提升與國際同等業(yè)者的競爭能力等等方面無疑起了制約的作用。GUI的廣泛應用是當今計算機發(fā)展的重大成就之一，他極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。

在嵌入式GUI中需要實現多圖形功能，包括圖形繪制以及拷貝等。其中的許多功能需要進行大量的數據傳遞（如圖形拷貝），或者需要進行大量的數值運算（如畫樣條曲線）。許多顯卡芯片帶有圖形處理器，能夠從硬件上實現一部分圖形功能。

本文就如何實現DirectFB的圖形加速功能做了詳細的介紹，并將實現之后在性能上得到的改進與實現之前做比較，說明DirectFB在優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)GUI上的作用。

1 DirectFB體系結構

1.1 DirectFB簡介

DirectFB是一個輕量級的提供硬件圖形加速，輸入設備處理和抽象的圖形庫，它集成了支持半透明的視窗系統(tǒng)以及在LinuxFramebuffer驅動之上的多層顯示。它是一個用軟件封裝當前硬件無法支持的圖形算法來完成硬件加速的層。DirectFB是為嵌入式系統(tǒng)而設計。它是以最小的資源開銷來實現最高的硬件加速性能。DirectFB針對視頻存儲有自己的資源管理器。像顯示層輸入設備這樣的資源能被鎖定進行互斥訪問。例：全屏游戲，DirectFB能對像顯示層，窗體以及各種通用的surfaces這樣的圖形目標提供抽象。從窗體切換到全屏以及返回到窗體的編程工作被最小化設置到所期望的合作級別。它在FrameBuffer的基礎上提供了圖形加速、輸入設備處理提取、透明窗口和多重顯示層的功能，能夠對嵌入式系統(tǒng)GUI有較好的支持。與那些通用的嵌入式GUI系統(tǒng)相比，它具有非常簡潔、高效的體系結構和硬件圖形加速功能。

1.2 DirectFB體系結構

（1）DirectFB訪問硬件顯卡

DirectFB依賴已有的內核接口即幀緩沖設備（／dev／fb）訪問圖形處理器，也就是說DireetFB需要一個正在工作的幀緩沖驅動。Linux內核有專門的幀緩沖驅動支持某些圖形處理器。DirectFB利用幀緩沖設備做如下工作：

◆設置顯卡工作模式（分辨率，顏色深度，時序）

◆映射顯存

◆改變幀緩沖視口（針對雙緩沖）

如果某種顯卡被DirecFB支持并且在Linux內核中也有這種圖形處理器的幀緩沖驅動，DirectFB利用幀緩沖設備做如下額外的工作：

◆映射顯存IO端口

◆關閉幀緩沖驅動中自帶的加速功能

針對具體的圖形操作（例如圖片拷貝），DirectFB加速驅動訪問顯存映射的圖形處理器I／O端口向圖形處理器提交命令。也就是說真正的硬件加速完全是在用戶空間實現。這樣DirectFB就可以對它支持的圖形處理器提供最大限度的硬件圖形加速。

（2）DirectFB訪問輸入設備

DirectFB使用Linux內核提供的標準設備接口訪問輸入設備，而不是直接訪問輸入硬件。具體的結構如圖1所示。

2 DirectFB加速驅動原理

本節(jié)結合筆者的硬件平臺來說明如何實現DirectFB加速驅動，筆者所用的平臺是MPC8540，圖形處理器是Fujitsu MB86296。要實現DirectFB加速驅動，需要有以下幾個模塊：系統(tǒng)、圖形加速器、屏幕及圖層。其中系統(tǒng)是指幀緩沖和硬件管理。DirectFB支持的系統(tǒng)有dev／fb、osx、sdl、xll、／dev／mem等。系統(tǒng)可以在DirectFB應用程序配置文件directfbrc中配置。屏幕是指輸出設備，如LCD。圖層代表獨立的圖像緩沖區(qū)，一般是在顯示的時候自動由硬件融合，硬件一般采用alpha技術融合。圖層數量的多少取決于圖形處理器，一般復雜的圖形處理器都支持多層顯示。

DirectFB驅動的幾點基本要素是：

①必須賦給驅動一個唯一的名字并且用如下宏實現：DFB_GRAPHICS_DRIVER（MB86296）。

②上面的宏需要定義6個函數供DirectFB Core使用，即初始化／關閉驅動、初始化／關閉加速重獲驅動元數據。

③在驅動中需要實現的函數有以下6個。

a）static int dnver_probe（Graphicsdevice*device）；

如果系統(tǒng)支持某種硬件此函數應該返回非零值，它用DirectFB Core來探測哪個驅動支持系統(tǒng)硬件。

b）static void driver_get_info（GraphicsDevice *device, GraphicsDriverInfo *info）；

這些函數用來設驅動信息。

c）static DFBResult driver_init_driver （GraphicsDevice *device, GraphicsDeviceFuncs *funcs, void *driver_data, void *device_data, CoreDFB *core）；

初始化驅動。在成功獲得所有需要的資源后驅動應該注冊屏幕和層。同時也需要通過funcs返回硬件加速函數列表。實現方式如下所示。

初始化硬件。通過GraphicsDevicelnfo*device_info設置由硬件支持的加速能力，例如Blit／Draw。具體實現如下：

實現關閉驅動時需要做的工作。

3 加速性能測試

通過筆者編寫的驅動程序和DirectFB官方加速測試程序df_dok，可以看出加速與否對應用程序運行速度的影響。下面是沒有實現圖形加速能力的測試結果。

由上面測試結果比較可以看出，實現了加速能力后的DirectFB可以大大提高圖形處理能力。

結 語

通過筆者在某雷達系統(tǒng)上的測試可以看出，實現圖形加速后的GUI界面響應較快，畫面流暢，與加速前相比圖形性能有了顯著的提高。隨著DirectFB在嵌入式系統(tǒng)，如數控、手機、嵌入式瀏覽器、PDA、雷達等領域的應用越來越廣泛，基于DirectFB的圖形加速將使得嵌入式系統(tǒng)GUI性能得到極大提高。