Gralloc模块分析

Posted 2023-03-09

参考技术A Linux内核提供了统一的framebuffer显示驱动。Framebuffer是内核系统提供的图形硬件的抽象描述，称为buffer是因为它也占用了系统存储空间的一部分，是一块包含屏幕显示信息的缓冲区。Framebuffer借助于Linux文件系统向上层应用提供了统一而高效的操作接口，让用户空间运行的程序比较容易地适配多种显示设备。

android系统中，每个显示屏被抽象为一个帧缓冲区，注册到FrameBuffer模块中，并在/dev/graphics目录下创建对应的fbX设备，framebuffer提供的设备节点为/dev/graphics/fb或者/dev/fb，Android系统在硬件抽象层中提供了一个Gralloc模块，封装了对帧缓冲区的所有访问操作。用户空间的应用程序在使用帧缓冲区之间，首先要加载Gralloc模块，并且获得一个gralloc设备和一个fb设备。有了gralloc设备之后，用户空间中的应用程序就可以申请分配一块图形缓冲区，并且将这块图形缓冲区映射到应用程序的地址空间来，以便可以向里面写入要绘制的画面的内容。

Android系统，为了隐藏各厂家自身特定硬件驱动实现细节，在用户空间定义了一套硬件抽象层，各厂商在Android的硬件抽象层实现特定硬件的操作细节，编译成动态库，以库的形式提供给用户使用。

hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h 头文件中定义一个代表模块的结构体 (hw_module_t)，其中包含模块的版本、名称和作者等元数据。Android系统 会根据这些元数据来找到并正确加载 HAL 模块。

hw_module_t 结构体还包含指向另一个结构体 hw_module_methods_t 的指针，后面这个结构体包含指向相应模块的 open 函数的指针。此 open 函数用于与相关硬件（此 HAL 是其抽象形式）建立通信。每个硬件专用 HAL 通常都会使用该特定硬件的附加信息来扩展通用的 hw_module_t 结构体。例如，在相机 HAL 中，camera_module_t 结构体包含一个 hw_module_t 结构体以及相机专用的其他函数指针：

实现 HAL 并创建模块结构体时，您必须将其命名为 HAL_MODULE_INFO_SYM，以下是 Nexus 9 音频 HAL 的示例：

设备是产品硬件的抽象表示。例如，一个音频模块可能包含主音频设备、USB 音频设备或蓝牙 A2DP 音频设备。

设备由 hw_device_t 结构体表示。与模块类似，每类设备都定义了一个通用 hw_device_t 的详细版本，其中包含指向特定硬件功能的函数指针。例如，audio_hw_device_t 结构体类型会包含指向音频设备操作的函数指针：

参数为模块的ID，最终会返回一个hw_module_t的结构体保存在参数module中。
每个硬件抽象层模块都必须定义HAL_MODULE_INFO_SYM符号，并且有自己唯一的ID。

hw_get_module会遍历规定的几个目录来查找名称对应的动态库，找到库的路径后，会调用load函数使用dlopen打开找到的库，并依据HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR（其值为HMI）获取到hw_module_t（即HAL_MODULE_INFO_SYM）结构体指针。以及把dlopen返回的handle保存在hw_module_t中，而hw_module_t HMI 结构是一个全局结构。

每个硬件抽象层必须有自己的ID以及HAL_MODULE_INFO_SYM符号，Gralloc也不例外

hw_get_module硬件加载方法根据gralloc的ID, 查找到gralloc模块定义的HAL_MODULE_INFO_SYM并返回给hw_module_t结构，但是HAL_MODULE_INFO_SYM是private_module_t结构类型，如何赋值呢？

private_module_t负责管理显示驱动framebuffer相关的信息，包括framebuffer的fd, 有多少个缓存，系统帧缓冲区使用情况，动态可变的信息，固定属性的信息，显示屏的宽高，刷新率等信息。
private_module_t 第一个变量是gralloc_module_t结构。

gralloc_module_t 负责管理gralloc模块相关的操作，其第一个是属性是硬件抽象层规定的hw_module_t结构，其他都是关于gralloc模块图像buffer处理的相关操作方法。

hw_module_t结构如下：

硬件抽象层hw_module_t结构描述了硬件抽象层库相关的信息。如版本号，id, 名称，相关的操作方法等。
其中还定义了模块的打开模块的操作方法open.

根据以上的三个结构我们可以画出结构图如下：

回到上面问题，为什么private_module_t可以赋值给hw_module_t呢？这样看就很简单了，private_module_t的第一个变量就是gralloc_module_t, 而gralloc_module_t的数据第一个元素就是hw_module_t。private_module_t的首地址和hw_module_t的首地址是一样的，所以可以直接赋值过去。

除了hw_module_t的数据结构外，gralloc模块还定义了两种设备相关的数据结构：

1: framebuffer_device_t 用来描述系统帧缓冲区的信息

2:alloc_device_t 用于描述图像分配相关的信息

从上一节数据结构分析的过程中可知，设备打开的方法是在hw_module_t结构中定义的，定义打开的方法为

gralloc_device_open方法用来打开设备
参数hw_module_t为硬件抽象层加载得到的结构体
name 为打开目标设备的类型，分为两种

参数hw_device_t为打开的设备保存的结构，返回给调用者

分别分析下打开两种设备的过程

gralloc_device_open根据参数的不同来打开不同的设备，打开设备GRALLOC_HARDWARE_FB0，调用了fb_device_open方法

这个函数创建了一个fb_context_t的数据结构， 并对其进行初始化，fb_context_t的device变量就是framebuffer_device_t，用来描述fb设备的。
同时还注册了操作fb设备的几个函数, 其中fb_post函数比较关键，负责将图形缓冲区的内容渲染到Framebuffer的显存中。
然后使用mapFrameBuffer函数来获取帧缓冲区的信息，然后将信息保存到framebuffer_device_t结构中，并将fb设备映射到当前进程。

再看下mapFrameBuffer做了什么操作？

mapFrameBuffer函数做了几件事情
1：打开fb设备，获取fb驱动的相关信息
2：设置fb的 yres_virtual为双缓冲大小
3：计算像素密度
4：计算双缓冲大小，并将其映射到当前进程，将缓冲区起始地址宝尊在framebuffer_device_t的base属性中。

至此FB设备打开过程就分析完了，FB设备打开过程做了什么事情？

打开fb设备，根据fb设备初始化相关的显示信息，并把fb设备显存映射到当前进程方便访问，同时还注册了几个操作fb设备的方法。

gralloc设备使用结构体alloc_device_t来描述。结构体alloc_device_t有两个成员函数alloc和free，分别用来分配和释放图形缓冲区。

首先创建了一个gralloc_context_t的上下文，gralloc_context_t的device就是alloc_device_t, 对其进行初始化 ，同时注册了几个操作alloc_device_t设备的函数， gralloc_alloc和gralloc_free用于分配和释放图形缓冲区。

分析了两种设备打开的过程， 但是什么时候会打开这两种设备呢？
1：FB设备打开时机

FB设备打开时机实在HWCompser构造函数中打开的，说明HWCompser会操作fb设备，渲染图像缓冲区到显示缓冲区， 具体在分析HWCompser的时候在进行分析。
2：gralloc设备打开时机

gralloc设备用于管理GraphicBuffer图形缓冲区，是在GraphicBufferAllocator中打开的，GraphicBufferAllocator负责图形缓冲区的分配和释放。后续在做详细分析
文章参考： Android图形显示之硬件抽象层Gralloc