曾慶遠(yuǎn)

基于EP9315的WindML3.0顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)?

曾慶遠(yuǎn)

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

為滿足目前高集成度嵌入式平臺(tái)下對(duì)功能性要求日益復(fù)雜和開發(fā)周期進(jìn)一步縮短的需求，以ARM9處理器EP9315構(gòu)建的平臺(tái)為實(shí)例，介紹了一種VxWorks實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)下標(biāo)準(zhǔn)多媒體開發(fā)庫WindML的顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法和要點(diǎn)。描述了從驅(qū)動(dòng)的安裝介入、初始化、繪圖函數(shù)的編寫和硬件加速功能的引入等方面內(nèi)容，可為工程應(yīng)用中顯示控制功能的開發(fā)提供參考。

嵌入式平臺(tái)；顯示驅(qū)動(dòng)；多媒體開發(fā)庫；硬件加速

1 引言

隨著嵌入式硬件平臺(tái)和嵌入式操作系統(tǒng)的高速發(fā)展，嵌入式環(huán)境下對(duì)顯示應(yīng)用的需求也逐步進(jìn)入到一個(gè)日趨復(fù)雜化、標(biāo)準(zhǔn)化和可定制化的階段。顯示驅(qū)動(dòng)程序作為顯示應(yīng)用的底層基礎(chǔ)在所有嵌入式操作系統(tǒng)和圖形應(yīng)用開發(fā)庫中都是不可或缺的組成部分。

在目前的工程應(yīng)用中，顯示驅(qū)動(dòng)的開發(fā)主要依賴顯示芯片生產(chǎn)商和操作系統(tǒng)開發(fā)商的支持。在VxWorks實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)下，可獲取的顯示驅(qū)動(dòng)在支持的顯示控制器型號(hào)的廣泛性和對(duì)顯示控制器硬件功能利用的充分性方面都遠(yuǎn)不及Windows和Linux等主流操作系統(tǒng)。而嵌入式應(yīng)用中的高定制性和可裁剪性的需求造成硬件平臺(tái)的多樣化要求開發(fā)者在短周期內(nèi)開發(fā)移植出適應(yīng)不同平臺(tái)的顯示驅(qū)動(dòng)程序［1］。

WindML是VxWorks下一個(gè)基本的標(biāo)準(zhǔn)多媒體應(yīng)用開發(fā)包，其對(duì)顯示功能的支持能滿足絕大部分條件下的2D顯示應(yīng)用和部分3D顯示應(yīng)用，并且其顯示驅(qū)動(dòng)程序能夠作為底層的驅(qū)動(dòng)向更上層的圖形開發(fā)庫提供支持，是VxWorks下最為基礎(chǔ)的顯示驅(qū)動(dòng)程序［2，3］。

本文首先介紹和分析了WindML的顯示驅(qū)動(dòng)架構(gòu)、配置方法和標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)的結(jié)構(gòu)和編寫，然后描述了部分繪圖函數(shù)的實(shí)現(xiàn)并重點(diǎn)介紹了此過程中硬件加速功能的引入和實(shí)現(xiàn)，最后提出了開發(fā)中的一些要點(diǎn)和易遺漏失誤的問題。

2 W indML顯示驅(qū)動(dòng)架構(gòu)分析

WindML驅(qū)動(dòng)在整個(gè)VxWorks操作系統(tǒng)中所處的位置和作用機(jī)制［4］如圖1所示。

WindML顯示驅(qū)動(dòng)的主要任務(wù)是顯示控制邏輯、同步時(shí)序的管理、顯示圖像數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和顯示緩沖區(qū)的填充和管理［4］。

顯示控制器硬件設(shè)備負(fù)責(zé)顯示的時(shí)鐘、同步、使能等控制信號(hào)的產(chǎn)生以及從顯示緩沖區(qū)到顯示屏的顯示數(shù)據(jù)傳輸。WindML顯示驅(qū)動(dòng)首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示控制器的初始化和顯示控制。

顯示圖形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生由WindML的API調(diào)用WindML驅(qū)動(dòng)中的繪圖API函數(shù)實(shí)現(xiàn)，圖形可以直接繪制到顯示緩沖區(qū)或繪制到系統(tǒng)內(nèi)存再搬移到顯示緩沖區(qū)。系統(tǒng)內(nèi)存管理同WindML存儲(chǔ)區(qū)的協(xié)調(diào)分配由WindML的存儲(chǔ)池管理機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，最終呈現(xiàn)在顯示設(shè)備上的畫面其實(shí)就是顯示緩沖區(qū)中窗口的內(nèi)容［5］。

通過層層調(diào)用來操作緩沖區(qū)會(huì)在進(jìn)行大規(guī)模搬移和填充的時(shí)候耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，使得顯示畫面的刷新延遲或者在畫面上留下作圖的痕跡，因此需要一種機(jī)制使得顯示驅(qū)動(dòng)程序可以直接操作緩沖區(qū)，通過DMA方式對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行快速的搬移和填充等操作，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，這就是硬件顯示加速功能。同時(shí)，具有GPU的平臺(tái)可以利用GPU在圖形運(yùn)算方面的速度優(yōu)勢(shì)輔助或取代CPU進(jìn)行顯示圖形產(chǎn)生的運(yùn)算，再直接填充到顯示緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容的高速操作。

WindML具體的顯示驅(qū)動(dòng)架構(gòu)如圖2所示。

在WindML的圖形驅(qū)動(dòng)源代碼中，通過定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)體來注冊(cè)全部的基本繪圖函數(shù)，而顯示器同步控制邏輯和顯示緩沖區(qū)的產(chǎn)生全部由WindML初始化函數(shù)中的圖形驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)實(shí)現(xiàn)［6］。下面將介紹顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)的具體方法。

3 詳細(xì)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

本節(jié)以EP9315為核心的嵌入式平臺(tái)為例，介紹WindML顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)的詳細(xì)方法和步驟。

3.1 W indML配置

在具體開發(fā)WindML顯示驅(qū)動(dòng)之前，需要對(duì)WindML進(jìn)行配置，目的是在WindML中裝入自己的顯示驅(qū)動(dòng)程序，使得在編譯WindML時(shí)能將自己的驅(qū)動(dòng)程序編入整個(gè)WindML的驅(qū)動(dòng)包［7］。

首先需要修改WindML配置數(shù)據(jù)庫中文件:＼＄Windbase＼host＼resource＼windML＼config＼database＼windML-OUTPUT-DB.cfg

在這個(gè)文件中按上下文模板的格式插入自己的顯示器相關(guān)信息。

接著在同一目錄中創(chuàng)建自己的顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)備的配置文件，格式參考此目錄中其它顯示設(shè)備配置文件。其中重要的幾個(gè)配置參數(shù)如下:

（1）XX.OUTPUTTYPE:應(yīng)該為上一步中插入的自己的顯示器設(shè)備名稱；

（2）XX.DIR:為顯示驅(qū)動(dòng)程序的源碼存放目錄名稱，配置后編譯WindML時(shí)才會(huì)將此目錄中自己所開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序源代碼編譯到WindML驅(qū)動(dòng)庫中，該目錄應(yīng)在target＼src＼ugl＼driver＼graphics＼目錄中創(chuàng)建；

（3）XX.HEADER:驅(qū)動(dòng)程序頭文件路徑和文件名，配置后WindML編譯時(shí)將會(huì)在這個(gè)頭文件中搜索一個(gè)名為UGL-GRAPHICS-CREATE的宏定義項(xiàng)，該項(xiàng)宏定義所指向的函數(shù)會(huì)作為整個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)被裝入，圖形顯示設(shè)備的注冊(cè)、初始化和其它各種標(biāo)準(zhǔn)操作的驅(qū)動(dòng)函數(shù)都將在這個(gè)函數(shù)中被注冊(cè)；

WindML顯示驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)全部包含在一個(gè)名為UGL-UGI-DRIVER的結(jié)構(gòu)體中，接口函數(shù)UGL

GRAPHICS-CREATE所進(jìn)行的操作就是創(chuàng)建這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)體并為其各個(gè)成員函數(shù)賦值。結(jié)構(gòu)體初始化完成之后，WindML就從這個(gè)結(jié)構(gòu)體中搜索所需用到的函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

完成上面幾步的配置之后，可以在WindML配置工具中發(fā)現(xiàn)新增的配置項(xiàng)，按此配置項(xiàng)對(duì)WindML進(jìn)行編譯就能夠選取并裝入自己所開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序。

通過上面分析可知，從代碼層面來看，顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)的具體工作就是對(duì)UGL-UGI-DRIVER結(jié)構(gòu)體中各個(gè)操作函數(shù)進(jìn)行編寫開發(fā)。

3.2 顯示控制時(shí)序邏輯的實(shí)現(xiàn)

要在目標(biāo)顯示器上進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的顯示，首先要對(duì)顯示控制器進(jìn)行配置，使之輸出符合顯示器所需時(shí)序的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，該步驟包含顯示控制信號(hào)的產(chǎn)生和顯示緩沖區(qū)的定義和初始化［8］。

在UGL-UGI-DRIVER結(jié)構(gòu)中，modeAvailGet和modeSet函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)顯示控制設(shè)備的初始化和模式控制。modeAvailGet將讀取用戶指定的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)組以獲取顯示設(shè)備的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)、色深、色彩模式和刷新頻率等信息并返給WindML，而modeSet調(diào)用用戶提供的顯示控制器初始化函數(shù)按modeAvailGet函數(shù)獲取的顯示設(shè)備信息對(duì)顯示控制器進(jìn)行配置。顯示控制器初始化函數(shù)將完成顯示控制時(shí)序信號(hào)和顯示緩沖區(qū)的配置。

一般來講，顯示控制器輸出到顯示屏的控制同步信號(hào)包括主顯示時(shí)鐘信號(hào)、行同步信號(hào)、幀同步信號(hào)、數(shù)據(jù)使能信號(hào)和RGB顯示數(shù)據(jù)。一般在mode-

Set函數(shù)中調(diào)用顯示控制器初始化函數(shù)來按照顯示設(shè)備的輸入規(guī)范設(shè)置顯示控制器的各寄存器，從而產(chǎn)生符合要求的時(shí)序邏輯控制信號(hào)，而顯示數(shù)據(jù)則依賴于顯示緩沖區(qū)的設(shè)置。從顯示控制器到顯示屏的顯示數(shù)據(jù)傳輸由DMA方式完成，數(shù)據(jù)源就是顯示緩沖區(qū)。顯示緩沖區(qū)應(yīng)該是一塊空間足夠大、地址連續(xù)并且能夠高速讀寫的存儲(chǔ)器空間，其大小至少應(yīng)該為像素點(diǎn)總個(gè)數(shù)乘以每個(gè)像素點(diǎn)所占據(jù)的存儲(chǔ)空間大小，而雙buffer和多buffer的顯示策略則需要更大空間的顯示緩沖區(qū)。顯示緩沖區(qū)可以是一塊獨(dú)立的存儲(chǔ)器芯片，一般為SDRAM等高速存儲(chǔ)器，也可以從嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)存空間中劃取。利用顯示控制器提供的寄存器，通過設(shè)置顯存起始地址值和大小就可以設(shè)定顯存的位置。需要注意的是，由于數(shù)據(jù)傳輸采用了DMA方式，因此這塊地址區(qū)域的起始值應(yīng)該符合DMA傳輸?shù)囊?，一般需要為字?duì)齊方式。

在顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)過程中這個(gè)部分主要實(shí)現(xiàn)的目的就是將顯示緩沖區(qū)中的圖形數(shù)據(jù)按照所約定的規(guī)范映射到顯示設(shè)備上去，使得繪圖等對(duì)顯示緩沖的操作能直接反映在顯示屏上。

3.3 基本作圖函數(shù)

WindML的顯示驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)UGL-UGI-DRIVER中，除了一些控制和存儲(chǔ)管理函數(shù)之外，總共定義了54個(gè)基本作圖操作相關(guān)的函數(shù)，包含了點(diǎn)、直線、矩形框、矩形塊、橢圓、光標(biāo)、頁面和位圖等基本圖形以及色彩格式的轉(zhuǎn)換和顏色查找表等內(nèi)容。每類圖形包含數(shù)個(gè)操作函數(shù)。這些函數(shù)在利用WindML進(jìn)行作圖時(shí)將被上層API反復(fù)多次調(diào)用，因此，基本作圖函數(shù)代碼的效率將直接決定顯示驅(qū)動(dòng)程序的質(zhì)量。

WindML提供了基本作圖函數(shù)的參考集。為了兼容全部的顯示控制硬件設(shè)備，這些函數(shù)全部采用軟件運(yùn)算作圖方式，即按一定的算法對(duì)所需繪制的圖形進(jìn)行一個(gè)個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)算并寫入顯存，以此在顯存中產(chǎn)生所需的顯示數(shù)據(jù)。這種操作方式雖然具有兼容性上的優(yōu)勢(shì)，但其運(yùn)算量大，操作繁雜，極大地加重了CPU的負(fù)擔(dān)，要實(shí)現(xiàn)流暢的畫面顯示對(duì)CPU的運(yùn)算能力要求很高。

在開發(fā)WindML顯示驅(qū)動(dòng)的過程中，應(yīng)該根據(jù)顯示控制器提供的功能，對(duì)這部分函數(shù)代碼進(jìn)行改寫，通過使用硬件加速功能來提高驅(qū)動(dòng)程序的效率。這也是整個(gè)驅(qū)動(dòng)開發(fā)過程中代碼工作量最大的部分，要求開發(fā)人員對(duì)硬件設(shè)備和WindML驅(qū)動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)都有較深刻的認(rèn)識(shí)。

利用硬件提供的加速功能進(jìn)行的繪圖過程，無論是代碼復(fù)雜度還是操作效率都遠(yuǎn)高于純軟件方式的緩沖區(qū)操作。因此，盡可能地將硬件提供的加速功能應(yīng)用到WindML標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中去，是WindML顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)的最重要工作。

4 一些難點(diǎn)和易遺漏問題的分析

筆者根據(jù)在WindML顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)過程的一些經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了以下幾點(diǎn)開發(fā)過程中的難點(diǎn)和易遺漏問題。

（1）關(guān)于DMA和Cache

由于在顯示數(shù)據(jù)從顯存到顯示屏的傳輸和顯示驅(qū)動(dòng)硬件加速過程中都大量采用了DMA的操作方式，在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的過程中必須時(shí)刻注意DMA操作同CPU的Cache處理之間的協(xié)調(diào)，避免引起Cache維護(hù)的數(shù)據(jù)同實(shí)際存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)不一致的問題，給顯示應(yīng)用造成失誤。在所有驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)中，每一次的DMA操作前都應(yīng)該手動(dòng)同步Cache和存儲(chǔ)器空間，使DMA傳輸?shù)脑春湍繕?biāo)地址的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)內(nèi)容與Cache一致，均確實(shí)為用戶所指定的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

（2）關(guān)于幀刷新同步和中斷

根據(jù)顯示屏的刷新頻率，每一次顯示內(nèi)容的刷新都將耗費(fèi)一定的時(shí)間按照行列的順序逐點(diǎn)來掃描完成。如果在這個(gè)過程中顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容發(fā)生了變化，那么以緩沖變化的時(shí)間點(diǎn)為界的顯示上下文內(nèi)容就會(huì)不一致，造成顯示上的混亂。這種狀況在進(jìn)行頻繁顯示畫面刷新的情況下（如動(dòng)畫顯示等應(yīng)用時(shí)）表現(xiàn)得比較明顯，這就需要一種機(jī)制來進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得顯示緩沖區(qū)的寫入總是在幀顯示使能信號(hào)為非使能電平時(shí)完成的。

EP9315提供一個(gè)系統(tǒng)中斷來解決這個(gè)問題。用戶可以指定在幀同步計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)到任意值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)顯示控制器中斷。將這個(gè)計(jì)數(shù)值設(shè)置為幀顯示使能信號(hào)跳變?yōu)榉鞘鼓茈娖胶蟮囊粋€(gè)值來產(chǎn)生所需的中斷，并在接收到中斷信號(hào)后才進(jìn)行顯示緩沖區(qū)內(nèi)容的寫入就可以避免問題的發(fā)生。在進(jìn)行buffer切換等緩沖區(qū)內(nèi)容大量改變的操作時(shí)更是必須采用這樣的同步策略，否則會(huì)給顯示畫面帶來閃爍和殘像等明顯的問題。

（3）關(guān)于開發(fā)側(cè)重點(diǎn)

由于嵌入式平臺(tái)下的顯示應(yīng)用和PC平臺(tái)不同，均具有很強(qiáng)的方向性。因此，在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開發(fā)時(shí)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的需求具有一定的側(cè)重點(diǎn)。例如在進(jìn)行大量文字顯示的應(yīng)用中，由于WindML的字體引擎是基于點(diǎn)陣字庫的，而點(diǎn)陣字庫中每個(gè)字符都以單色位圖的形式存在，因此字體的操作其實(shí)就是單色位圖在指定屬性的顯示設(shè)備上進(jìn)行顯示的操作［9］。在此情況下單色位圖相關(guān)的作圖函數(shù)應(yīng)該作為顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)的側(cè)重點(diǎn)來進(jìn)行，而針對(duì)其它應(yīng)用很少或根本不顯示的圖元作圖函數(shù)，即使使用WindML參考庫中的純軟件作圖方式來進(jìn)行這些很少用到的操作，也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響很小。

當(dāng)然，一個(gè)完善的顯示驅(qū)動(dòng)應(yīng)該對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的所有內(nèi)容都作最大程度的優(yōu)化，但在實(shí)際工程中考慮到開發(fā)周期等問題，驅(qū)動(dòng)開發(fā)工作必須選取一些側(cè)重點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本文方法將主要應(yīng)用于對(duì)顯示控制功能開發(fā)有一定復(fù)雜性和通用性需求的工程中，能夠幫助構(gòu)建具有完整2D顯示功能的顯控平臺(tái)。文章在介紹WindML顯示驅(qū)動(dòng)開發(fā)的過程中，著力于原理、方法和思路的介紹，并重點(diǎn)描述了硬件加速功能的引入和利用，同時(shí)指明了開發(fā)環(huán)節(jié)中的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)更加完整明了，開發(fā)流程和方法步驟更清晰。雖然本文的撰寫基于EP9315硬件平臺(tái)，但其原理和方法具有較強(qiáng)的通用性。

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Development of Graphic Drivers for WindM L3.0 Based on EP9315

ZENGQing-yuan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

To satisfy the requirement of functional complexity and reduction of developing periods in the field of highly integrated embedded system，this paper presents amethod and some kernel points of the graphic drivers development based on WindML，amultimedia developing library in the embedded operating system VxWorks，by taking an example of hardware platform constructed by the ARM9 processor EP9315.The presentation contains the description of the installation and initialization，programing of plotting function and importing of the hardware acceleration about the graphic drivers，in order to offer some reference for the application of display and control function development in projects.

embedded platform；graphic drivers；multimedia developing library；hardware acceleration

the B.S.degree and the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2005 and 2009，respectively.He is now an assistant engineer.His research interests include computer communication and digital integrated circuit.Email:zengqingyuan＠vip.qq.com

1001-893X（2011）12-0092-05

2011-06-30；

2011-11-03

TP311

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.12.019

曾慶遠(yuǎn)（1983—），男，四川成都人，分別于2005年和2009年獲電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，現(xiàn)為助理工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)通信與數(shù)字集成電路。

ZENGQing-yuan was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1983.He