Linux framebuffer deferred io機制

一、總體框架

　　deferred io機制主要用於驅動沒有實現自刷新同時應用層又不想調用FBIOPAN_DISPLAY的一個折中方案，  使用ioctrl FBIOPAN_DISPLAY好處是節能， 驅動不用盲目的刷數據（尤其是一靜態幀數據）， 數據的更新是由應用程序操作的，

所以應用程序當然知道何時刷數據， 最理想的情況是應用程序一更新數據立馬調用FBIOPAN_DISPLAY， 但也有缺點， 一是要應用層顯示調用FBIOPAN_DISPLAY，二是畫面更新頻率高的話， FBIOPAN_DISPLAY帶來的系統調用開支也不小；

使用驅動自刷新當然解放應用， 應用不用關心數據顯示問題， 直接操作顯存， 所寫即所見。

 

二、源碼分析

　　代碼具體在linux/drivers/video/fb_defio.c， 如下演示刷圖穿插該框架的實現代碼：

　　1. fb_defio 自己實現一個mmap()， 沒有將用戶空間虛擬地址和物理幀緩存進行頁表映射， 倒是提供了缺頁異常處理函數

void fb_deferred_io_init(struct fb_info *info)
{
    struct fb_deferred_io *fbdefio = info->fbdefio;

    BUG_ON(!fbdefio);
    mutex_init(&fbdefio->lock);
    info->fbops->fb_mmap = fb_deferred_io_mmap;
    INIT_DELAYED_WORK(&info->deferred_work, fb_deferred_io_work);
    INIT_LIST_HEAD(&fbdefio->pagelist);
    if (fbdefio->delay == 0) /* set a default of 1 s */
        fbdefio->delay = HZ;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(fb_deferred_io_init);

static int fb_deferred_io_mmap(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma)
{
vma->vm_ops = &fb_deferred_io_vm_ops;
vma->vm_flags |= VM_DONTEXPAND | VM_DONTDUMP;
if (!(info->flags & FBINFO_VIRTFB))
vma->vm_flags |= VM_IO;
vma->vm_private_data = info;
return 0;
}

static const struct vm_operations_struct fb_deferred_io_vm_ops = {
.fault    = fb_deferred_io_fault,
.page_mkwrite    = fb_deferred_io_mkwrite,
};

 

　　2. 應用程序通過mmap()， 獲得一塊幀緩存的虛擬地址， 但沒有對應的實際物理內存

　

　　3. 應用程序操作內存（write）， 由於頁表沒有對應物理內存導致缺頁異常

do_page_fault()
    -> __do_page_fault()
        -> handle_mm_fault()
            -> __handle_mm_fault()
                -> handle_pte_fault():
                                        if (vma->vm_ops) {
                                            if (likely(vma->vm_ops->fault))
                                                return do_linear_fault(mm, vma, address, pte, pmd, flags, entry);
                                        }
                        　　　　　　　　　　　　　　　　-> __do_fault():
                                       　　　　　　　　　　　　　　　　 vma->vm_ops->fault(vma, &vmf);
                                        　　　　　　　　　　　　　　　　vma->vm_ops->page_mkwrite(vma, &vmf);

　　從上面流程可以看出， 當vm_ops且fault有效時， 會走自定義的fault實現， 同時如果操作時write行為， 還會調用page_mkwrite（有效的話）

 

　　4. fb_defio提供了缺頁異常的處理函數fb_deferred_io_fault()， 分配物理頁跟虛擬地址對應起來， 並把該物理頁掛到fbdefio->pagelist（即將被刷新數據）， 然后啟動工作隊列延遲delay后執行這個工作項fb_deferred_io_work()

static int fb_deferred_io_fault(struct vm_area_struct *vma, struct vm_fault *vmf)
{
    unsigned long offset;
    struct page *page;
    struct fb_info *info = vma->vm_private_data;

    offset = vmf->pgoff << PAGE_SHIFT;
    if (offset >= info->fix.smem_len)
        return VM_FAULT_SIGBUS;

    page = fb_deferred_io_page(info, offset);
    if (!page)
        return VM_FAULT_SIGBUS;

    get_page(page);

    if (vma->vm_file)
        page->mapping = vma->vm_file->f_mapping;
    else
        printk(KERN_ERR "no mapping available\n");

    BUG_ON(!page->mapping);
    page->index = vmf->pgoff;

    vmf->page = page;
    return 0;
}

static struct page *fb_deferred_io_page(struct fb_info *info, unsigned long offs)
{
    void *screen_base = (void __force *) info->screen_base;
    struct page *page;

    if (is_vmalloc_addr(screen_base + offs))
        page = vmalloc_to_page(screen_base + offs);
    else
        page = pfn_to_page((info->fix.smem_start + offs) >> PAGE_SHIFT);

    return page;
}

/* 需要注意的是幀緩存是一開始fb驅動就應該分配好的， 同時賦值給fb_info->screen_base, fb_info->fix.smem_start
 * 而fb_deferred_io_fault()-> fb_deferred_io_page()分配內存只是找出並返回此次缺頁異常頁虛擬地址對應的物理地址，
 * 好填充頁表， 這樣應用程序就可以正常write數據到緩存， 整個過程對應用程序是透明的。
*/                                     

 

　　5. fb_deferred_io_work() 最核心就是調用函數指針fbdefio->deferred_io（驅動要實現的刷數據函數）， 並調用page_mkclean()將之前虛擬地址和幀物理頁的映射清除， 使得下次操作這塊虛擬地址又能重新觸發缺頁機制

　　

二、fb驅動示例

static void lcd_fb_deferred_io(struct fb_info *info, struct list_head *pagelist)
{
    struct page *cur;
    struct fb_deferred_io *fbdefio = info->fbdefio;

    /* pagelist存放的都是被更新的臟頁， 由於我驅動用SPI DMA搬數據，會存在cache不一致， 所以要把cache的緩存刷回內存 */
    list_for_each_entry(cur, &fbdefio->pagelist, lru) {
        flush_dcache_page(cur);
    }
    
    /* 雖然pagelist存放都是臟頁，我懶得對這些頁在幀的位置進行排布分析， 直接一整幀都刷
       也即哪怕應用程序改動一個page， 驅動都會整幀刷*/
    info->fbops->fb_pan_display(&info->var , info);
}

static struct fb_deferred_io gen_lcd_fb_defio = {
    .delay        = HZ / 8,
    .deferred_io    = lcd_fb_deferred_io,
};

static void lcd_defio_init(struct fb_info *info, struct fb_deferred_io *fbdefio)
{
    info->fbdefio = fbdefio;
    fb_deferred_io_init(info);
}

static void lcd_defio_cleanup(struct fb_info *info)
{
    if (info->fbdefio != NULL) {
        fb_deferred_io_cleanup(info);
        info->fbdefio = NULL;
    }
}

==========================================
lcd_defio_init(fb_dev, gen_lcd_fb_defio)
lcd_defio_cleanup(fb_dev)

 

三、其他

　　1. 要使能deferred io機制， 要打開CONFIG_FB_DEFERRED_IO配置

　　2. 這里沒有幀率說法， 只跟應用刷圖有關

　　3. 缺頁異常會被調用多次， 但fb_deferred_io_work()只會被最后頁調用一次， 比如應用要刷,2個page， 第一個page導致fb_deferred_io_mkwrite()添加到pagelist， 然后調用schedule_delayed_work()啟動延遲1/8s的工作項fb_deferred_io_work(),

　　　接着引發第二頁缺頁異常會被繼續添加到pagelist， schedule_delayed_work再次被執行， 但只是重新更新延遲時間為1/8s

　　4. 我感覺page_mkclean() 這里有個bug， 它是把物理頁所有的映射都清除， 包括kernel空間的虛擬地址， 那下次缺頁異常時fb_deferred_io_page() -> vmalloc_to_page(screen_base + offs), 就會有問題， 因為頁表被清除掉了， 所以該框架目前應該只支持連續的幀緩存