深度探索Linux操作系统 —— Linux图形原理探讨

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深度探索Linux操作系统 —— 构建工具链
深度探索Linux操作系统 —— 构建内核
深度探索Linux操作系统 —— 构建initramfs
深度探索Linux操作系统 —— 从内核空间到用户空间
深度探索Linux操作系统 —— 构建根文件系统
深度探索Linux操作系统 —— 构建桌面环境
深度探索Linux操作系统 —— Linux图形原理探讨

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前言

? ? 本质上，谈及图形原理必会涉及渲染和显示两部分。但是显示过程比较简单和直接，而渲染过程要复杂得多，更重要的是，渲染牵扯到操作系统内部的组件更多，因此，本章我们主要讨论渲染过程。我们不想只浮于理论，结合具体的 GPU 进行讨论更有助于深度理解计算机的图形原理。相比于 NV 及 ATI 的 GPU ，我们选择相对更开放一些的 Intel 的 GPU 进行讨论。Intel 的 GPU 也在不断的演进，本书写作时主要针对的是用在 Sandy Bridge 和 Ivy Bridge 架构上的 Intel HD Graphics 。

? ? 显存是图形渲染的基础，也是理解图形原理的基础，因此，本章我们从讨论显存开始。或许读者会说，显存有什么好讨论的，不就是一块存储区吗？早已是陈词滥调。但是事实并非如此，通过显存的讨论，我们会注意到 CPU 和 GPU 融合的脚步，会看到它们是如何的和谐共享物理内存的。或许，已经有 GPU 和 CPU 完美地进行统一寻址了。

? ? 然后，我们分别讨论 2D 和 3D 的渲染过程。在其间，我们将看到到底何谓硬件加速，我们也会从更深的层次去展示 3D 渲染过程中所谓的 Pipeline 。以往，很多教材都会为了辅助 OpenGL 的应用开发，多少从理论上谈及一点 Pipeline ，而在这一章中，我们从操作系统角度和 Pipeline 进行一次亲密接触。

? ? 最后，我们讨论了很多读者认为神秘而陌生的 Wayland 。其实，Wayland 既不神秘也不陌生，它是在 DRI 和复合扩展发展的背景下产生的，基于 DRI 和复合扩展演进的成果。从某个角度，Wayland 更像是去除了基于网络的服务器/客户端的 X 和复合管理器的一次整合。

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一、渲染和显示

? ? 计算机将图形显示到显示设备上的过程，可以划分为两个阶段：第一阶段是渲染（render）过程，第二阶段是显示（display）过程，如图 8-1 所示。

1、渲染

? ? 所谓渲染就是将使用数学模型描述的图形，如 “DrawRectangle(x1,y1,x2,y2)” ，转化为像素阵列，或者叫像素数组。像素数组中的每个元素是一个颜色值或者颜色索引，对应图像的一个像素。对于 X 窗口系统，数组中的元素是一个颜色索引，具体的颜色根据这个索引从颜色映射（Colormap）中查询得来。

? ? 渲染通常又被分为两种：一种渲染过程是由 CPU 完成的，通常称为软件渲染，另外一种是由 GPU 完成的，通常称为硬件渲染，也就是我们常常提到的硬件加速。

? ? 谈及渲染，不得不提的另外一个关键概念就是帧缓冲（Framebuffer）。从字面意义上讲，frame 表示屏幕上的某个时刻对应的一帧图像，buffer 就是一段存储区了，因此，在狭义上，合起来的这个词就是指存储一帧屏幕图像像素数据的存储区。

? ? 但是从广义上，帧缓冲则是多个缓冲区的统称。比如在 OpenGL 中，帧缓冲包括用于输出的颜色缓冲（Color Buffer），以及辅助用来创建颜色缓冲的深度缓冲（ Depth Buffer ）和模板缓冲（ Stencil Buffer）等。即使在 2D 环境中，帧缓冲这个概念也不仅指屏幕上的一帧图像，还包含用于存储命令的缓冲（Command Buffer）等。每一个应用都有自己的一套帧缓冲。

? ? 在 OpenGL 环境中，为了避免渲染和显示过程交叉导致冲突，从而出现如撕裂（tearing）以及闪烁（flicker）等现象，颜色缓冲又被划分为前缓冲（front buffer）和后缓冲（back buffer）。如果为了支持立体效果，则前缓冲和后缓冲又分别划分为左和右各两个缓冲区，我们不讨论这种情况。前缓冲和后缓冲中的内容都是像素阵列，每个像素或者是一个颜色值，或者是一个颜色索引。只不过前缓冲用于显示，后缓冲用于渲染。

? ? 2D 可以看作 3D 的一个特例，因此，我们将 2D 程序中用于输出的缓冲区称为前缓冲。为了避免歧义，在容易引起混淆的地方我们尽量不使用这个多义的帧缓冲一词。

2、显示

? ? 一般而言，显示设备也使用像素来衡量，比如屏幕的分辨率为
1366×768，那么其可以显示1049 088个像素，一个像素对应屏幕上的
一个点，图像就是通过这些点显示出来的。通常，图像中一个像素对
应屏幕上的一个像素，那么将图像显示到屏幕的过程就是逐个读取帧
缓冲中存储的图像的像素，根据其所代表的颜色值，控制显示器上对
应的点显示相应颜色的过程。
通常，显示过程基本上要经过如下几个组件：显示控制器
（CRTC）、编码器（Encoder）、发射器（Transmitter）、连接器
（Connector），最后显示在显示器上。
（1）显示控制器
显示控制器负责读取帧缓冲中的数据。对于X来说，帧缓冲中存
储的是颜色的索引，显示控制器读取索引值后，还需要根据索引值从
颜色映射中查询具体的颜色值。显示控制器也负责产生同步信号，典
型的如水平同步信号（HSYNC）和垂直同步信号（VSYNC）。水平
同步信号目的是通知显示设备开始显示新的一行，垂直同步信号通知
显示设备开始显示新的一帧。所谓同步，以垂直同步信号为例，我们
可以这样来通俗地理解它：显示控制器开始扫描新的一帧数据了，因
此它通过这个信号告诉显示器开始显示，跟上我，不要掉队，这就是
同步的意思。以CRT显示器为例，这两个信号控制着电子枪的移动，
每显示完一行，电子枪都会回溯到下一行的开始，等待下一个水平同
步信号的到来。每显示完一帧，电子枪都会回溯到屏幕的左上角，等
待一下垂直同步信号的到来。
（2）编码器
对于帧缓冲中每个像素，可能使用8位、16位、32位甚至更多的位
来表示颜色值，但是对于具体的接口来说，却远没有这么多的数据线供使用，而且不同的接口有不同的格式规定。比如对于VGA接口来
说，总共只有三根数据线，每个颜色通道占用一根数据线；对于LVDS
来说，数据是串行传输的。因此，需要将CRTC读取的数据编码为适
合具体物理接口的编码格式，这就是编码器的作用。
（3）发射器
发射器将经过编码的数据转变为物理信号。读者可以将其想象
成：发射器将1转化为高电平，将0转化为低电平。当然，这只是一个
形象的说法。
（4）连接器
连接器有时也被称为端口（Port），比如VGA、LVDS等。它们直
接连接着显示设备，负责将发射器发出的信号传递给显示设备。

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