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学 校代 码 : 2 6 10 4 学 号: 2 佣 2 0530 0 棋大 硕 士 学 位 论 文n iA dro d 显示系统应用硬件加速技术 的研究 姓 专 院 业 系 名 软件学 院 计算机软件 与理论 董 剑 指 导 教 师: 朱传琪 教授 完 成 日 期: 20 11 年 5 月 16 日指 导小组成 员名单 朱传 琪 教授 减斌 宇 教授 杨 氓 讲师 复旦大学硕士研究生毕业 论文 o d A n dr i 显示系统应用硬件 加速技术 的研 究 目录 . . . .. . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . .. . . . ... . . . . .... . . . . . . . . . . . . . . . . 目录 . . ... ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . I . .. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. . . . ... . . . . . .... . . . . . . . . . . . . . .摘要 . . ... .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .mA b s r c . ....................................... ... t a t ..... .. ...... .................................. IV ........................第一章 绪论 一 1 .1 引言 2 ...... ... .... .... .... .... .... .... ....... .... ... .... .... .. 1. 研 究 背景 ... .... ..... .. ...... .... .... .... ...... .. .... .. ..... .. .... 2 2 1 . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . ... . . . .. 1. . 图形硬件加 速技术 .. . . . . . . . . . . ... . .. ... . .. . . . . . . . . . . 2 22 r i . . .. . . . . . ... . . . . . . ... ..3 1. . A nd o d 应 用图形加速技术的 问题 . . .. ... . . . . . . . . . ... . . . . ... .... .... .... .... ... . 4 1. 本文 的研究工作 . ..... ... ..... .... ... .. . 3 . .... .... .... .... .... . . ... .. ..... . 1. 论 文 组 织 结 构 ... ... .... .... ..... .... .... .... ....4 4 . o d ......... .. . . . . .... . . . . .. . .. .. . . .. . . ...6第二 章 A ndr i 背 景 知 识 . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . ... . .. .... .. . ... . . .. ... .. . ..... .. ..... ..... .. .... .. 6 2.1 A nd o d 概 述 ... ... . . .. ...... .. .. .... ...... .... r i 2. r i . . ... . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . ... . . . . . 1.1 A nd o d 系统架构 . ... . . . .. . . ... . . . . . . . .. . ... . . . . . . . . . . .6 2. A nd o d 显 示系 统 的工 作 原理 . ..... .. . ... .. .... .... ... .... 9 2 r i . ...... .. . ...... .... ... .... ... . . . . . . . . . ... .. .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 2 . .1 基本概念 . . . . . . . . .. .. .. .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 9 2 22 r a . . . . . . . . . .... . . . . . . . . . . . . . .H 2 . . 基 于 Su f ce 的 窗体 绘 制 机 制 . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 3 ra ... ..... ... ...... .... ... .... .... .1 2. O ve l y 窗 体 绘制 优 化 机 制 ... ... ..... . . . .. .... ... .... .... ... 3 .. ..... ... ... .... .... .... .... .. .. ....... .... ... .. 巧 2 . 本 章 小结 . .... ... .... ... ..... ... ..... .... .... .. .... .... ... 4 . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 7第三 章 硬件平台及编程模式 . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .1 1 i r .... ... .... ..... ..... .... ..... .... ... ..... ... .1 3 . U n co e Z 硬件平 台 .. ..... ... .... .... ..... ... .. .. .. ..... .... ... .. 7 1 .. .... . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .1 3.1. 主要特 性. .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 7 . . . . . . 1 3.1. 功 能模 块 . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 ... . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 3 . U n G F X ZD 显 示 加 速 芯 片 . .... . ..... .... ..... ... .... ... . .1 2 i ... .. ... ..... ... .. .. .. .. .... .... 9 3. . . . . . . . . . . ... ... . . . . . . . . . . . . .. . . . 9 2.1 宏观特性与功 能结构 . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . ... . . .1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . .. 2 3. 2 工 作 原 理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . ... . . ... ... .. . 2 2. . . . . . . . . . . . ... . .. . . . . 2 3. . 可编程寄存器组 . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . 2 2 3 . 3 . ..... .. .... .. ...... .... ... ..... ..... .... ..... .. ... . 6 3. 本 章 小 结 ... .... .... ... .... ... ..... ... .. .... ...... .... .. ... .. .2 . . ... . . ... .. . . . . . . .. . . . . . . . ... . . . . 8第四章 硬件加速 层 ... . . .... . ... . . . . . . . .. . ... . . . . . . . . . .2 4 . 硬 件 加 速 层 的设 计 原 则 . .... ... .. 1 .... ...... .... ... .... ... . 2 ... ... ... . .. ....... .. .. .. ... .. ... .. 8 .. .. .... .. ... 2 4 . 对 u n G F x 的抽 象 . . .... ... ... .. 9 2 i 4. ... ... . . . . . . . . . . . .... . . . . . . . . . . . . . .2 2.1 数据 结构及 功能接 口. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 9 复旦大学硕士研究生毕业论文 o A n dr 记 显 示系统应用硬件加速技术 的研 究 3 .... . .... .. ... .. .... .... .... .. .. .... .. . 4 . 硬件加速层 的实现 . .... ... .. ... ... ... .. .... .... ... .... . ...31 4. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .... . .. . . .3 3.1 控制寄存器组的操作. .. . . . .. . . . . . . . . . ..... ... . . .. .. .. . . 1 . .. .. . . . ... . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . ... 犯 4 . 2 实现 要点 . .. ... .... . . . . . . . .. .. . . . . . . . ... . . ... . . 3. 4 . 本 章 小 结 . .... ... .... .... ... .... ... ... .. ... .... ... ... .. .. . ... 4 5 .. ..... ... .... .... .... ... ... . .. . .... ... .. . .... ... .. ..3 r i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . .3第 五 章 针 对 A n d o d 显 示 系统 的优 化 . . . . . .... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . 6 ... .... .... .... ... . 6 5 .1 优 化策略 的定制 .. ... ..... ... ... .. . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . ... 7 5.1. 基 本 优 化 原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 2 r i ... .... .. ... ... .... ... .... ... ... .. .. 8 5 . A nd o d 绘 制机 制 的 步骤 调整 ... ... ... ... .. ... ..... . .. ... .. ... ... .3 2 1 . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .3 5 . . 光标事件处理流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . 8 22 . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . 9 5 . . 摄像预览 的帧处理 . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .3 ... .. .... .... ... .... . .. . .. 2 5. 优 化 工 作 的 实施 .. ... ........... ... ... .... ... ... .... ... ... .. 4 3 . ... ... .... .. .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 4 5 . . 硬 件 光 标 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... . . . . . . . . . ... . . . ... . . 2 3 1 32 . . . . ... . . . . . . . . . ... .. . . . . . . . . ... . . . . . . ...44 5. . 摄 像 系 统 服 务 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. . . . . . . .. . 4 . .... ..... .. .... ... ... ... .. ... .... .... . . ... .. ...4 5. 本章小结 . . ... .. ..... ... .... .. ... .. .... .. ..... .. ... .... .. . 5 .. . . . . . .... ... . . . . . . . . . .. .... .. .. .. . . . . . . . . .第 六 章 实 验 与 性 能 评估 . . . . . . . . . .. . . . ... . . . . . . .. . . .. . ... . . . . . . . . .46 ... . . ... ... ... .. ... .... .... ... ... .. ...4 6 .1 实 验 环 境 与 方 法 二_.. . . . .. ... .. .. .... .... .... . ... .... .. . 6 2 . .... .... ... ..... ... .... .. ... ... ... .. ... .... . ... .... .. . 6 6 . 实验结果. ... .... .... ... .... ... .... ... .. ... ........ .... ... ... .. ...4 6 . 实 验 分 析 . ... ... . .. ... .... ... .. .. ......... ... .... . ...4 3 . .... .. . .... ... .. ... ... ... .. ... . . ... .... .. . 7 .. .. .. . .. .... . .. ...... . . . . . . . . . . . . . .. 4第 七 章 总 结 与展 望 .. .. .. ... .. .. . .. . . .. . . . . . . . . . ..... . 9 1 .. .... ... .... ... .... ... ... .. ... .... .... ... .. .. .... ... 9 7 . 总 结 与 讨 论 .... ... ..... .... ... ... ... .. ... ... .... ... ... ... .... . ...4 .... ... .... ... .... ... ... ... . .. 9 7 . 未 来 工 作 展 望 .. ... ..... .... ... ... ... .. ... .4 2 . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . .5参 考 文 献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . 3致 谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . .5 复旦大 学硕 士研 究生毕业论文 o d A nd r i 显示系统应用硬件加速技术的研究 摘要 o d 作为功能特 性非 常丰 富的嵌入式多媒 体操作系统 Andr i 因具有优 良的跨平 台特 性 和强大的多媒体特性 以及 软件开发 的便捷性和开源特 点 发展至今日 已延伸到 了整个移动终端领域 quot为满足当今消费类 电子产 品的快速发展对嵌 d入式多媒体系统 的性 能要求 性能强劲的嵌入式 图形加速器逐渐在 A n roid 操作系统中得到广泛和深 入的应 用 quot 但是 由于嵌入式系统专用性 的特 点 嵌入式 硬件加速体 系没有统 一标准 在 实际应用 中 因缺 乏有效利 用硬 件特 性的规范 A nd r quot 现有设计框架无法充 id分利用某些硬件加速芯片的专有特 性 因此 在某 些操作上性能表现没有达到最优情 况 例 如 图 形 绘制 情 况 quot i 针对这一 问题 本文对 Andro d 显示系统 中的图形绘制机 制进行 了详细 的分 i d i析和研 究 基于北大众志 Un Core 硬件平 台 重 点研究 An ro d 显示系统 中嵌 入式 ZD 硬件 图形加速芯片 的应用 课题 需要解 决的关键 问题是在 Andr quot 系统 中 id设计和 实现 一种友好 高效 并月.能够充分 发挥硬件 性能的硬件加速层 quot在过程 中 本文在 以下两 方面给 出了创新性的研究 : 1. 基 于 U iG FX 硬件 加 速 芯 片 的硬 件 加 速 层 的设 计 与 实现 quot n 加速 层 的 设计 保 持了 A ndro d 屏蔽底 层硬件 的设计概念 quot 在加速层 中定义 并实现 了操 作 i X Un iGFX 加速 芯片的接 口 屏蔽 了硬件加速 的细节 降低 了基于 Un iGF 编程 的复杂度 quot 2. 基 于 上 述 Un GF 硬 件 加 速 层 针 对 Andro d 显 示 系 统 的优 化 quot通 过 利 用 i x i i Un GFX 硬件通道 本 文提 出的优化策略减少 了跨层 函数 的调用 开销和数 据在主存和显存 间的交换次数 quot 同时通过设计相关测试评估方案 本文 对优化前后 的 A n r i 系统 的绘制方面进行性 能评估 quot d o d D o d 相关实验表 明 在集成 了 2 显示加速芯片 的 Andr i 系统上 系统 图形绘制性能相对纯软件运 算有 了质 的飞跃 : 在保持友好用户界面 的基础之上 本方案 d i / 0令 A n ro d 光标操作 在正常使用 时 CPU 占用率下 降约 88 平 均 占用率低 于 7 摄像预 览的帧 处理速 度提升 了 1.5一 倍 quot 由此可见本方案在 实际应 用 中的有效 6性 同时也 说明了硬件 图形加速 技术在 A n ro d 系统中具有相 当的应用价值 quot d i 关键词 : An dro id 嵌入式系统 Un iGFX 硬件加速 中图分类 号: TP 3H 复旦大学硕士研究生毕业论文 d o d A n r i 显示 系 统 应 用 硬 件 加 速 技 术 的 研 究 A b str a C t A s an E m b ed d ed M u ltim ed ia O P eratin g S y stem o A n dr id h as w elltran sP .