Android圖形系統的分析與移植*

葉炳發，孟小華

（暨南大學計算機系 廣州 510632）

1 引言

Android作為第一個完整、開放、免費的手機平臺，自推出以來就是業界的熱門話題，由于擁有良好的可移植性和強大的功能，在嵌入式設備方面的應用表現出良好的勢頭。在圖形顯示方面，Android建立在Linux上，但并沒有像一些桌面 Linux使用GTK（GIMP Toolkit）組建XWindows（一個多平臺的圖形用戶接口），也沒有使用Cairo向量圖形鏈接庫實現圖形顯示，而是使用了專為Android而改良的一種2D向量圖形處理函數庫Skia。在3D圖形方面是基于嵌入式3D圖形算法標準OpenGL/ES實現的，該庫可以使用硬件加速。然而，雖然Google開放了Android的源代碼，但相關技術文檔很少，而且圖形系統的實現原理比較復雜，所以本文集中對Android圖形系統的底層原理進行研究。

2 Android圖形顯示原理

2.1 圖形系統組成

Android SDK的圖形包主要包括android.graphics、android.view、android.widget和 android.opengl，前 3 個是用于 2D的圖形開發，基于 SGL（Skia graphics library）。android.opengl是用于3D的圖形開發，基于OpenGL/ES。

Skia是一個開放源碼的2D向量圖形處理函數庫，包含字型、坐標轉換以及點陣圖，有著高效能且簡潔的表現，在Android平臺中搭配OpenGL/ES與特定的硬件特征強化了顯示效果。OpenGL/ES是OpenGL的一個子集，是一個跨平臺圖形庫，是專門為嵌入式系統而設計的。

Android圖形系統的組成如圖1所示。上層應用調用2D和3D圖形庫對Surface Manager提供的Surface進行繪制，通過Surface Manager的合成器SurfaceFlinger對各個Surface進行合成，并由EGL接口實現在Framebuffer設備上的顯示。

2.2 Surface Manager的工作原理

在Android的圖形系統中，Surface Manager是一個重要組成，Surface Manager對上層提供Surface給應用進行繪制，管理對顯示子系統的訪問，對來自多個應用的2D和3D圖像進行無縫的合成后傳給底層的EGL進行處理，Surface Manager的工作原理如圖2所示。

Surface Manager為Application準備一個或多個Surface后，把Surface傳給 Application，讓 Application可以在上面作圖形處理。應用程序先通過調用圖形庫提供基礎的繪制圖形原語和JNI函數，然后又通過Native Method的繪制圖形原語調用2D和3D的圖形庫對Surface進行繪制。

在Android平臺下，每個Surface都有一個Front Buffer和一個Back Buffer，每個窗口都以一個Surface對象作為基礎。每個Surface又對應一個Layer，SurfaceFlinger將各個Layer的Front Buffer合成后繪制到Frame Buffer上。

關于SurfaceFlinger，在Surface Manager中用于管理邏輯上眾多的Surface，其功能特點如下：

·SurfaceFlinger在一個系統范圍內合成Surface的功能，并把合成后的顯示內容傳給幀緩沖設備；

·SurfaceFlinger能一起合成來自多個程序的2D或3D顯示的Surface；

·Surface通過Android的IPC機制Binder以緩沖的形式進行遞交。

2.3 Surface Manager的實現

從Surface Manager工作原理分析，可以理解Application與Surface Manager是以C/S的模式進行交互的，Application處理Surface的部分是客戶端，而Surface Manager提供服務，它們之間通過Android的IPC機制Binder來協助完成，如圖3所示。

在Binder中，主要包括兩個方面：本地（native），如BnSurfaceFlingerClient，這是一個需要被繼承和實現的類；代理（proxy），如 BpSurfaceFlingerClient，這是一個在接口框架中被實現，但是在接口中沒有體現的類。在客戶端中，BpSurfaceFlingerClient被調用，通過與BnSurfaceFlinger-Client通信，而 BpSurfaceFlingerClient和 BnSurfaceFlinger-Client派生自 ISurfaceFlingerClient，BClient派生自 BnSurface-FlingerClient。

在客戶端中通過類SurfaceComposerClient，調用BnSurfaceComposer和BnSurface來響應服務端BpSurface-Composer和BpSurface，并通過調用 BpSurfaceFlingerClient來調用服務端的BnSurfaceFlingerClient，由此完成了客戶端和服務端的交互。在交互中的3個接口分別介紹如下。

ISurfaceFlingerClient：派生出BpSurfaceFlingerClient和BnSurfaceFlingerClient，由 BClient實現，通過調用createSurface函數創建一個Surface供Application應用。

ISurface：派生出BpSurface和BnSurface，主要完成對Surface的處理，在 Surface（派生自 BnSurface）的函數 lock、unlockAndPost等，實現了Surface在雙緩沖的處理，SurfaceBuffer（派生自Surface）實現了Layer上的處理。

IS urfaceComposer：派生出BpSurfaceComposer和BnSurfaceComposer，SurfaceFlinger（派生自BnSurface Composer）主要為合成器SurfaceFlinger（Surface Manager的組成部分）對Surface合成的相關處理提供實現方法。

3 Android的雙緩沖技術

在Android平臺中，雙緩沖技術分別在Surface的處理和底層Framebuffer的處理中使用到，在對Framebuffer處理的雙緩沖技術根據OpenGL的標準實現，而對Surface處理的雙緩沖技術則有所不同，下面將對兩種雙緩沖技術進行比較。

3.1 OpenGL中的雙緩沖技術

在OpenGL中利用雙緩沖技術，分配兩個幀緩沖區，在連續顯示三維曲面時，一個幀緩沖區中的數據執行繪制曲面命令的同時，另一個幀緩沖區中的數據進行圖形顯示。當前可見視頻緩沖稱為前臺視頻緩沖，不可見的、正在繪圖的視頻緩沖稱為后臺視頻緩沖。當后臺視頻幀緩沖中的數據要求顯示時，OpenGL就將它拷貝到前臺視頻幀緩沖，顯示硬件不斷地讀可見視頻緩沖中的內容，并把結果顯示在屏幕上。應用雙緩沖，每一幀三維曲面只在繪制完成后才顯示出來，所以觀察者可以看到每一幀完整三維曲面，而不是曲面的繪制過程。

3.2 Surface中的雙緩沖技術

每個Surface中都帶有兩個幀緩沖區，分別稱為Front Buffer和Back Buffer，與OpenGL中雙緩沖技術有所不同，當繪制Back Buffer后需要顯示時，并沒有將Back Buffer中的數據拷貝到Front Buffer中，而是直接顯示Back Buffer中的數據到屏幕中，從而最大限度地減少了數據的復制。

圖4是使用Canvas繪制Surface的原理，具體過程如下：

·創建一個bitmap與Canvas關聯起來；

·把準備顯示的圖形提交到Canvas上；

· lockCanvas，鎖定 Canvas；

·drawCanvas，把bitmap中的數據寫入到Back Buffer中；

· unlockCanvasAndPost，解鎖 Canvas，Back Buffer替換Front Buffer，替換后Back Buffer作為前臺緩沖，Front Buffer作為后臺緩沖。

4 底層接口與驅動移植

4.1 Android中的EGL接口

OpenGL/ES為附加功能和可能的平臺特性開發了擴展機制，但仍然需要一個可以讓OpenGL/ES和本地視窗系統交互且平臺無關的層。EGL是OpenGL/ES和底層Native平臺視窗系統之間的接口，是為OpenGL/ES提供平臺獨立性而設計。OpenGL/ES本質上是一個圖形渲染管線的狀態機，而EGL則是用于監控這些狀態以及維護Frame Buffer和其他渲染Surface的外部層。

在Android的底層源代碼中，egl_native_window_t是一個提供了對本地窗口的所有定義以及用于EGL操作本地窗口的所有方法的類。EGLNativeSurface派生自egl_native_window_t，EGLDisplaySurface派生自 EGLNativeSurface。EGLDisplay-Surface通過函數 mapFrameBuffer打開 Framebuffer設備，并創建兩個緩沖區，函數swapBuffer把后臺視頻緩沖區復制到前臺視頻緩沖區。DisplayHardware類中初始化了EGL，SurfaceFlinger使用了DisplayHardware去和本地窗口打交道。

4.2 Android幀緩沖驅動的移植

Android是基于Linux的，但在Linux的幀緩沖驅動中并沒有直接支持雙緩沖，修改驅動包括兩個方面：一是劃分兩個緩沖區；二是添加緩沖區的切換功能。本文是在PXA270上進行研究的，對應的驅動文件是/drivers/video/pxafb.c。

在Android中，double buffer設計成上下兩個buffer的模式，在函數 pxafb_setmode()“var->yres_virtual=var->yres”修改為“var->yres_virtual=var->yres*2”，在檢查參數的函數pxafb_check_var()中“var->yres_virtual=max(var->yres_virtual,var->yres)”修 改 為 “var->yres_virtual=max(var->yres_virtual,var->yres*2)”。相對應的緩沖長度也要修改為默認的兩邊，即在函數pxafb_decode_mode_info()中添加“smemlen*=2;”。

當一個緩沖區已寫好，在切換時就需要調用到pan函數，該函數將一個新的yoffset傳給LCD控制器。在結構體fb_ops pxafb_ops中添加pan函數，即插入“.fb_pan_display=pxafb_pan_display,”到fb_ops pxafb_ops中。在初始化幀緩沖的函數pxafb_init_fbinfo()中，將“fbi->fb.fix.ypanstep=0；”修改為“fbi->fb.fix.ypanstep=1；”，這里是說明驅動需要用到pan函數。以下是需要添加或修改的函數。

5 結束語

對Android的應用開發來說，圖形開發是其中一個主要工作，了解Android圖形系統的工作原理可以對應用程序性能上的提供有所幫助。在Android移植到其他嵌入式設備中，Android圖形系統的底層驅動移植是其中一個關鍵部分，通過對底層圖形接口以及對幀緩沖驅動移植的研究，將更有效地實現Android在其他嵌入式設備上的移植。

1 宋寶華.Linux設備驅動開發詳解.北京:人民郵電出版社,2008

2 姚昱旻,劉衛國.Android的架構與應用開發研究.計算機系統應用,2008（11）

3 Patrick Brady.Anatomy&Physiology of an Android.http://sites.google.com/site/io/anatomy--physiology-of-an-android

4 David Blythe,Affie Munshi.OpenGL ES 1.0.02 Specification.http://www.khronos.org/registry/gles/specs/1.0/opengles_spec_1_0.pdf