浅谈DirectFB图形加速在嵌入式系统中的应用

引 言

图形用户界面（Graphical User Interface，简称 GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。GUI 即人机交互图形化用户界面设计。纵观国际相关产业在图形化用户界面设计方面的发展现状，许多国际知名公司早已意识到 GUI 在产品方面产生的强大增值功能，以及带动的巨大市场价值，因此在公司内部设立了相关部门专门从事 GUI 的研究与设计，同业间也成立了若干机构，以互相交流 GUI 设计理论与经验为目的。随着中国 IT 产业，移动通讯产业，家电产业的迅猛发展，在产品的人机交互界面设计水平发展上日显滞后，这对于提高产业综合素质，提升与国际同等业者的竞争能力等等方面无疑起了制约的作用。GUI的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，他极大地方便了非专业用户的使用人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进行操作。而嵌入式GUI具有下面几个方面的基本要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点。

在嵌入式GUI中需要实现多图形功能，包括图形绘制以及拷贝等。其中的许多功能需要进行大量的数据传递（如图形拷贝），或者需要进行大量的数值运算（如画样条曲线）。许多显卡芯片带有图形处理器，能够从硬件上实现一部分图形功能。

本文就如何实现DirectFB的图形加速功能做了详细的介绍，并将实现之后在性能上得到的改进与实现之前做比较，说明DirectFB在优化嵌入式系统GUI上的作用。

1 DirectFB体系结构

1.1 DirectFB简介

DirectFB是一个轻量级的提供硬件图形加速，输入设备处理和抽象的图形库，它集成了支持半透明的视窗系统以及在LinuxFramebuffer驱动之上的多层显示。它是一个用软件封装当前硬件无法支持的图形算法来完成硬件加速的层。DirectFB是为嵌入式系统而设计。它是以最小的资源开销来实现最高的硬件加速性能。DirectFB针对视频存储有自己的资源管理器。像显示层输入设备这样的资源能被锁定进行互斥访问。例：全屏游戏，DirectFB能对像显示层，窗体以及各种通用的surfaces这样的图形目标提供抽象。从窗体切换到全屏以及返回到窗体的编程工作被最小化设置到所期望的合作级别。它在FrameBuffer的基础上提供了图形加速、输入设备处理提取、透明窗口和多重显示层的功能，能够对嵌入式系统GUI有较好的支持。与那些通用的嵌入式GUI系统相比，它具有非常简洁、高效的体系结构和硬件图形加速功能。

1.2 DirectFB体系结构

（1）DirectFB访问硬件显卡

DirectFB依赖已有的内核接口即帧缓冲设备（／dev／fb）访问图形处理器，也就是说DireetFB需要一个正在工作的帧缓冲驱动。Linux内核有专门的帧缓冲驱动支持某些图形处理器。DirectFB利用帧缓冲设备做如下工作：

◆设置显卡工作模式（分辨率，颜色深度，时序）

◆映射显存

◆改变帧缓冲视口（针对双缓冲）

如果某种显卡被DirecFB支持并且在Linux内核中也有这种图形处理器的帧缓冲驱动，DirectFB利用帧缓冲设备做如下额外的工作：

◆映射显存IO端口

◆关闭帧缓冲驱动中自带的加速功能

针对具体的图形操作（例如图片拷贝），DirectFB加速驱动访问显存映射的图形处理器I／O端口向图形处理器提交命令。也就是说真正的硬件加速完全是在用户空间实现。这样DirectFB就可以对它支持的图形处理器提供最大限度的硬件图形加速。

（2）DirectFB访问输入设备

DirectFB使用Linux内核提供的标准设备接口访问输入设备，而不是直接访问输入硬件。具体的结构如图1所示。

2 DirectFB加速驱动原理

本节结合笔者的硬件平台来说明如何实现DirectFB加速驱动，笔者所用的平台是MPC8540，图形处理器是Fujitsu MB86296。要实现DirectFB加速驱动，需要有以下几个模块：系统、图形加速器、屏幕及图层。其中系统是指帧缓冲和硬件管理。DirectFB支持的系统有dev／fb、osx、sdl、xll、／dev／mem等。系统可以在DirectFB应用程序配置文件directfbrc中配置。屏幕是指输出设备，如LCD。图层代表独立的图像缓冲区，一般是在显示的时候自动由硬件融合，硬件一般采用alpha技术融合。图层数量的多少取决于图形处理器，一般复杂的图形处理器都支持多层显示。

DirectFB驱动的几点基本要素是：

①必须赋给驱动一个唯一的名字并且用如下宏实现：DFB_GRAPHICS_DRIVER（MB86296）。

②上面的宏需要定义6个函数供DirectFB Core使用，即初始化／关闭驱动、初始化／关闭加速重获驱动元数据。

③在驱动中需要实现的函数有以下6个。

a）static int dnver_probe（Graphicsdevice*device）；

如果系统支持某种硬件此函数应该返回非零值，它用DirectFB Core来探测哪个驱动支持系统硬件。

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

这些函数用来设驱动信息。

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

初始化驱动。在成功获得所有需要的资源后驱动应该注册屏幕和层。同时也需要通过funcs返回硬件加速函数列表。实现方式如下所示。

初始化硬件。通过GraphicsDevicelnfo*device_info设置由硬件支持的加速能力，例如Blit／Draw。具体实现如下：

实现关闭驱动时需要做的工作。

3 加速性能测试

通过笔者编写的驱动程序和DirectFB官方加速测试程序df_dok，可以看出加速与否对应用程序运行速度的影响。下面是没有实现图形加速能力的测试结果。

由上面测试结果比较可以看出，实现了加速能力后的DirectFB可以大大提高图形处理能力。

结 语

通过笔者在某雷达系统上的测试可以看出，实现图形加速后的GUI界面响应较快，画面流畅，与加速前相比图形性能有了显着的提高。随着DirectFB在嵌入式系统，如数控、手机、嵌入式浏览器、PDA、雷达等领域的应用越来越广泛，基于DirectFB的图形加速将使得嵌入式系统GUI性能得到极大提高。