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一、为何需要 double buffer?
single buffer 会导致：
屏幕撕裂(tearing)，即在屏幕上同时看到多帧数据拼接在一起。
single buffer 为何会造成撕裂：
refresh rate 和 frame rate 不一致。
refresh rate 表示的是 屏幕每秒能更新多少次显示，例如 30hz / 60hz。
frame rate 表示的是 lcd controller / gpu 每秒能绘制多少帧数据，例如 30fps / 60fps。
LCD controller / gpu 和 屏幕协作完成一帧图像的显示：
在 single buffer 的场景下，LCD user 和 LCD controller / gpu 总是在共用同一个 framebuffer，且没有同步机制。
LCD user 是写者，LCD controller / gpu 是读者。
由于存在竞争关系且读写没有同步机制，framebuffer 里必须会发生同时存在frame N 和 frame N-1 的数据，此时 LCD 将 framebuffer 的数据显示出来时，就会看到撕裂的效果：
可以通过 double buffer+vsync 解决撕裂的问题。
double buffer，顾名思义，就是有 2 个 framebuffer，其工作逻辑如下：
- LCD controller : draw fb0 to screen
- LCD user : write data to fb1
- LCD controller : draw fb1 to screen
- LCD user : write data to fb0
- 循环...
vsync 机制则用于确保一帧图像能不被打断地显示在屏幕。
如何支持 double buffer?
需要驱动和应用互相配合：
二、编写支持 double buffer 的 fbdev 驱动
fbdev 框图：
先梳理一下思路：
让驱动支持 double buffer 需要做 3 件事。
1. 申请2 x buffer：
- size = (2 * width * height);
- fbi->screen_base = dma_alloc_wc(sfb->dev, size, &map_dma, GFP_KERNEL);
2. 将 buffer 相关的信息保存 struct fb_info-> struct fb_var_screeninfo。
- struct fb_var_screeninfo {
- __u32 xres; /* visible resolution */
- __u32 yres;
- __u32 xres_virtual; /* virtual resolution */
- __u32 yres_virtual;
- __u32 xoffset; /* offset from virtual to visible */
- __u32 yoffset; /* resolution */
- ...
- }
xres 和 yres 是真实的 LCD 分辨率的宽和长;
xres_virtual 和 yres_virtual 是显存区域的宽和长;
xoffset 和 yoffset 用于指定当前使用哪一个 Buffer 进行绘制。使用 Buffer0 时 ，xoffset = 0，yoffset=0; 使用 Buffer1 时，xoffset = 0, yoffset = yres * 1;
3. 支持切换 buffer，具体的就是实现 ioctl：FBIOPAN_DISPLAY。
pan 的本意是平移，可以想象成显存上方有一个取景框，平移取景框可以看到不同的显示内容。
实例分析：goldfishfb.c
goldfishfb.c 是虚拟硬件 goldfish 的 fbdev 驱动，我们可以参考这个文件，学习如何实现 double buffer。
1. 分配 2 x buffer：
- int goldfish_fb_probe()
- {
- ...
- framesize = width * height * 2 * 2;
- fb->fb.screen_base = (char __force __iomem *)dma_alloc_coherent(&pdev->dev, framesize, &fbpaddr, GFP_KERNEL);
- }
2. 设置 fb_var_screeninfo：
- int goldfish_fb_probe()
- {
- ...
- fb->fb.var.xres = width;
- fb->fb.var.yres = height;
- fb->fb.var.xres_virtual = width;
- fb->fb.var.yres_virtual = height * 2;
- }
3. 实现 ioctl / FBIOPAN_DISPLAY：
- static struct fb_ops goldfish_fb_ops = {
- ...
- .fb_pan_display = goldfish_fb_pan_display,
- };
- int goldfish_fb_pan_display()
- {
- ...
- // 将新的显存地址告知 lcd controller
- writel(fb->fb.fix.smem_start + fb->fb.var.xres * 2 * var->yoffset,
- fb->reg_base + FB_SET_BASE);
- // 等待 LCD controller 的 vsync 信号
- wait_event_timeout(fb->wait,fb->base_update_count != base_update_count, HZ / 15);
- }
当LCD controller 将一帧图像完整地显示在 LCD 上后，就会产生一个中断，在中断里就会执行唤醒睡眠在 fb_pan_display 里的进程。
如果你想多了解一些，可以阅读 DRM 框架里的 fbdev 兼容代码，此代码也是支持 double buffer的：
- linux/drivers/gpu/drm/*/*_drm_fbdev.c
- linux/drivers/gpu/drm/drm_fb_helper.c
三、编写支持 double buffer 的 fbdev 应用
驱动支持 double buffer 后，还得在应用程序里将其使用起来。
先梳理一下思路：
- 检查是否支持 double buffer;
- 使能 double buffer：FBIOPUT_VSCREENINFO;
- 更新 buffer 里数据;
- 通知驱动切换 buffer：FBIOPAN_DISPLAY;
- 等待切换完成：FBIO_WAITFORVSYNC;
实例分析：show_color.c
- static int fd_fb;
- static struct fb_fix_screeninfo fix; /* Current fix */
- static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */
- static int screen_size;
- static unsigned char *fb_base;
- static unsigned int line_width;
- static unsigned int pixel_width;
- int main(int argc, char **argv)
- {
- int i;
- int ret;
- int buffer_num;
- int buf_idx = 1;
- char *buf_next;
- unsigned int colors[] = {0x00FF0000, 0x0000FF00, 0x000000FF, 0, 0x00FFFFFF}; /* 0x00RRGGBB */
- struct timespec time;
- ...
- fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
- ioctl(fd_fb, FBIOGET_FSCREENINFO, &fix);
- ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var);
- line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;
- pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;
- screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;
- // 1. 获得 buffer 个数
- buffer_num = fix.smem_len / screen_size;
- printf("buffer_num = %d\n", buffer_num);
- fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , fix.smem_len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
- if (fb_base == (unsigned char *)-1) {
- printf("can't mmap\n");
- return -1;
- }
- if ((argv[1][0] == 's') || (buffer_num == 1)) {
- printf("single buffer:\n");
- while (1) {
- for (i = 0; i < sizeof(colors)/sizeof(colors[0]); i++) {
- lcd_draw_screen(fb_base, colors[i]);
- nanosleep(&time, NULL);
- }
- }
- } else {
- printf("double buffer:\n");
- // 2. 使能多 buffer
- var.yres_virtual = buffer_num * var.yres;
- ioctl(fd_fb, FBIOPUT_VSCREENINFO, &var);
- while (1) {
- for (i = 0; i < sizeof(colors)/sizeof(colors[0]); i++) {
- // 3. 更新 buffer 里的数据
- buf_next = fb_base + buf_idx * screen_size;
- lcd_draw_screen(buf_next, colors[i]);
- // 4. 通知驱动切换 buffer
- var.yoffset = buf_idx * var.yres;
- ret = ioctl(fd_fb, FBIOPAN_DISPLAY, &var);
- if (ret < 0) {
- perror("ioctl() / FBIOPAN_DISPLAY");
- }
- // 5. 等待帧同步完成
- ret = 0;
- ioctl(fd_fb, FBIO_WAITFORVSYNC, &ret);
- if (ret < 0) {
- perror("ioctl() / FBIO_WAITFORVSYNC");
- }
- buf_idx = !buf_idx;
- nanosleep(&time, NULL);
- }
- }
- }
- munmap(fb_base , screen_size);
- close(fd_fb);
- return 0;
- }
运行：
- $ ./show_color single
- buffer_num = 1
- single buffer:
- $ ./show_color double
- buffer_num = 2
- double buffer:
该程序会在屏幕上循环的显示不同的颜色。
当传入 "single" 参数时，使用单 buffer，可见撕裂。
当传入 "double" 参数时，使用双 buffer，不再撕裂。
代码不是很复杂，我就不再详细分析了。
如果你想多了解一些，可以阅读开源软件 SDL-1.2 里的 sdl_fbvideo.c，此代码也支持了 double buffer。
另外，现在越来越多的显示设备走的是 DRM 框架，该框架自然是支持多 buffer的。感兴趣的小伙伴，自行查看下面的代码：
https://github.com/dvdhrm/docs/blob/master/drm-howto/modeset-double-buffered.c
四、相关参考
百问网 / 韦东山驱动大全教学视频：https://www.100ask.net/detail/p_5ff2c46ce4b0c4f2bc4fa16d/8
维基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/Screen_tearing
