单帧缓存与多帧缓存：显示系统中的缓冲策略演进(一)

在视觉信息处理的链条中，帧缓存的架构设计直接决定了显示系统的流畅度与视觉体验。从早期的 CRT 显示器到现代的 4K 高刷新率屏幕，帧缓存技术经历了从简单到复杂的演进，其中单帧缓存与多帧缓存作为两种基础架构，各自在不同历史阶段和应用场景中发挥着重要作用。本文将深入对比这两种缓存策略的技术特性、适用场景及性能差异，揭示显示系统中缓冲机制的设计逻辑。

一、单帧缓存：基础架构与工作原理

单帧缓存（Single Frame Buffer）是最简洁的缓冲架构，整个系统仅包含一块用于存储当前显示帧的存储区域。这种架构在早期计算机和嵌入式系统中广泛应用，其核心设计理念是用最小的存储开销实现基本的图像显示功能。

1. 架构组成

单帧缓存的硬件架构极为简单，主要包含三个核心组件：

存储区域：一块连续的存储器空间，按像素顺序存储完整图像帧

读写控制逻辑：协调图像生成模块（如 CPU、GPU）与显示控制器的访问

同步信号发生器：产生 VSync（垂直同步）和 HSync（水平同步）信号，控制显示时序

在这种架构中，所有图像处理操作都直接作用于同一块缓存区域，显示控制器周期性地从该区域读取像素数据并发送到显示设备。

2. 工作机制

单帧缓存的工作过程遵循严格的时序同步：

显示控制器按照固定频率（如 60Hz）从缓存中读取像素数据，逐行扫描形成图像

图像生成模块在显示间隙（消隐期）更新缓存内容

同步信号确保读写操作在时间上分离，避免冲突

对于早期分辨率较低的系统（如 VGA 640×480），单帧缓存的工作流程相对顺畅。以 16 色 VGA 模式为例，单帧缓存容量仅需 640×480×4bit=150KB，即使在存储资源有限的年代也易于实现。

3. 局限性

单帧缓存的简洁性是以牺牲用户体验为代价的，其固有缺陷包括：

画面撕裂：当图像生成模块在显示过程中更新缓存时，屏幕上会同时出现新旧两帧的部分图像

帧率受限：图像更新必须等待消隐期，无法充分利用硬件性能

资源竞争：图像生成模块与显示控制器共享存储区域，导致相互等待

动态模糊：快速移动的画面容易出现拖影，因为缓存更新频率有限

这些局限性使得单帧缓存在分辨率提升和动态画面需求增加后逐渐被多帧缓存架构取代。