android多媒体框架介绍（四）显示图形系统之hwc叠加器

2023-12-05 11:37:28

前面我们讲解了整个android图形显示系统的主要模块关系，和framebuffer，接下来我们讲解hwc叠加模块。
Android7.0提供了HWC和HWC2两个版本，到了Android8.0就都默认使用HWC2，我们接下来的介绍都是基于HWC2的。

文章目录

一、hwc模块定义与规格场景分析

产生背景—让GPU专心绘制提升整体性能降低功耗

为了解放GPU的绘制能力，很多芯片厂家会提供硬件叠加合成，如果硬件叠加器支持的场景都可以走硬件叠加，解放GPU的绘制能力专心绘制，提升的渲染性能同时还能大幅度的降低功耗（GPU强绘制，叠加搬移并不擅长，高功耗）。

hwc模块定义—The Hardware Composer硬件叠加器

应用把要显示的layers交给SurfaceFlinger，SurfaceFlinger直接把这些layers交给hwc，hwc就可以在自己能力范围内做好合成，再把合成好的结果拿去显示。如果芯片显示硬件模块功能较弱，不支持某些合成场景，就会用CPU（纯软件合成）或者GPU去做。

如果 SurfaceFlinger 具有可合成的新内容，则会唤醒，且每个 VSYNC 唤醒一次。该新内容可以是来自应用的新图像缓冲区，也可以是一个或多个图层的属性更改。如果缓冲变化或者属性调整导致画面变化，SurfaceFlinger 会调用 presentDisplay，以告知 HWC 完成合成过程并显示最终结果。

常见的hwc典型规格—叠加支持/回调事件

叠加能力：1、至少 4 个叠加层（状态栏系统栏应用壁纸/背景）；2、支持大于屏幕的图层（例如壁纸）；3、支持预乘像素 Alpha 和图层 Alpha 混合叠加；4、支持受保护（安全）视频播放的硬件通路；5、支持各类RGBA PACKEGE顺序、YUV 格式以及Tiling（将image进行切割处理再拼接使用）、swizzling（向量的单元可以被任意地重排或重复）和stride属性；
事件功能：HWC也提供了事件的注册与回调，比如VSync事件，用于管理渲染和图层合成时机。

hwc基础模块抽象—device/display/layer

hwc中的抽象主要涉及3个关键类：
HWC2：Device—叠加器设备抽象（包含多个叠加通路）
表示整个硬件合成显示设备（里面包含多个display通路）。

关键成员：
std::unique_ptr<android::Hwc2::Composer> mComposer; // 叠加器对象指针
std::unordered_map<hwc2_display_t, std::unique_ptr<Display>> mDisplays; // 叠加通路列表
关键函数：
注册回调事件 registerCallback；
创建虚拟通路（非显示通路，如录屏）createVirtualDisplay：
热拔插事件onHotplug：

HWC2：Display—叠加器通路抽象（把多个输入层叠加输出送显的通路）：
表示一个显示屏幕，可以是支持热插拔的真实显示通路（该添加/删除可以应 HWC 设备的热插拔请求），也可以是虚拟显示通路（如录屏，发送到 Gralloc 缓冲区而非显示驱动）。物理屏幕是通过热插拔创建的。在热插拔物理屏幕时，HWC 会创建一个句柄并通过热插拔回调将该句柄传递给 SurfaceFlinger。虚拟屏幕是由通过调用 createVirtualDisplay() 来请求屏幕的 SurfaceFlinger 创建的。

关键成员：
DisplayType mType; // 叠加通路的类型（主显示 / 辅显示 / 虚拟通路）
android::Hwc2::Composer& mComposer; // 指向叠加器引用
std::unordered_map<hwc2_layer_t, std::unique_ptr<Layer>> mLayers; // 叠加通路的输入layer列表
关键函数：
输入layer的管理createLayer / destroyLayer
叠加输出buffer设置setClientTarget / setOutputBuffer
显示触发present
设置vsync使能setVsyncEnabled

HWC2：Layer—叠加通路输入的层抽象：
表示一个叠加图层，对应与应用侧的Surface。可以多个HWC DISPLAY包含同一个layer（同一个图层同时在两个通道上叠加显示）。当 SurfaceFlinger 要创建新图层时，它会调用 createLayer，该函数会针对直接实现返回 Layer 类型，或者针对直通式实现返回 hwc2_layer_t 类型。当 SurfaceFlinger 要修改该图层的属性时，它会将该 hwc2_layer_t 值以及进行修改所需的任何其他信息传递给相应的修改函数。

关键成员：
android::Hwc2::Composer& mComposer; // 指向叠加器引用
hwc2_display_t mDisplayId; // 对应的叠加通路id
关键函数：
设置层的buffer setBuffer：
设置层的属性 setBlendMode/setColor/setDataspace/setDisplayFrame（显示区域）/setPlaneAlpha/setSourceCrop/setZOrder
设置层的sidband流 setSidebandStream
设置叠加方式setCompositionType：Device表示硬件叠加，Client表示GPU叠加

引用夕月风（https://www.jianshu.com/p/824a9ddf68b9）博文中的一个非常直观的图，看图层的各种属性

Layer区域和屏幕区域就是Layer和屏幕本身的大小区域；sourceCrop 是对Layer剪切后获取的区域；displayFrame是对Layer 显示区域表示sourceCrop在屏幕上的显示区域（过程可能缩放）。visibleRegion 可见区域，displayFrame没有被上层Layer盖住的部分就是可见区域。coveredRegion被上层Layer覆盖的区域。damageRegion 受损区域/更新区域，表示Layer内容变了，重新合成时只去合成damageRegion区域。transparentRegion透明区域看到的是底层Layer的内容。

二、hwc框架分析（基于HIDL）

整体关系client & binder & service & vender impl

Android 8.0 及更高版本使用一个名为Composer HAL 的 HIDL 接口，用于在 HWC 和 SurfaceFlinger 之间binderized IPC通信。即将上层Androd和底层HAL分别采用两个不用的进程实现，最终调用到vender的具体实现hwc中，中间采用Binder进行通信。形成如下几个关键部分：

HWC2 Client在surfaceFlinger的service进程上下文中。HWC2 Server表示hwc的hal层服务端有独立的进程process；

HWRVL:/ $ ps -A | grep compose
system         607     1 2249520   3268 0 0 S android.hardware.graphics.composer@2.2-service
HWRVL:/ $ ps -A | grep surface
system         657     1 2866640  18124 0 0 S surfaceflinger

三、dumpsys SurfaceFlinger命令查看状态

想要查看通道和对应图层的关系，可以用dumpsys SurfaceFlinger名称查看。

查看HWC通道Display与参与层叠Layer加关系

如下图dumpsys SurfaceFlinger内容，这个设备只有1个叠加通路Display 0（如果有第二屏会在后续出现Display 1 HWC layers），这个得加通路上有5个layer输入。可以看到每个层的名字，叠加类型（Device表示硬件叠加，如果是Client表示GPU叠加），每个图层的显示范围和源crop范围。

Display 0 HWC layers:
-------------------------------------------------------------------------------
 Layer name
           Z |  Comp Type |   Disp Frame (LTRB) |          Source Crop (LTRB)
-------------------------------------------------------------------------------
 com.android.systemui.HwImageWallpaper#0
  rel      0 |     Device |    0    0 1080 2220 |    0.0    0.0 1080.0 2220.0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
 com.huawei.android.launcher/com.huaw[...]d.launcher.unihome.UniHomeLauncher#0
  rel      0 |     Device |    0    0 1080 2220 |    0.0    0.0 1080.0 2220.0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
 StatusBar#0
  rel      0 |     Device |    0    0 1080 2220 |    0.0    0.0 1080.0 2220.0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
 com.huawei.RoundCornerDisplay_Bottom#0
  2147483646 |     Device |    0 2154 1080 2220 |    0.0    0.0 1080.0   66.0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
 com.huawei.RoundCornerDisplay_Top#0
  2147483647 |     Device |    0    0 1080   66 |    0.0    0.0 1080.0   66.0
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

四、hwc主要流程分析（待补充）

1、初始化流程

2、叠加准备流程

3、叠加流程

4、叠加完成

五、hwc驱动关键设计（待补充）

1、输入输出fence管理

2、双显示输出双通路设计

3、虚拟通路设计

参考

https://source.android.google.cn/devices/graphics/hwc
https://www.jianshu.com/p/824a9ddf68b9
https://blog.csdn.net/tli600605/article/details/101710446
https://my.oschina.net/u/3367385/blog/3112746
http://androidxref.com/9.0.0_r3/xref/frameworks/native/services/surfaceflinger/DisplayHardware/

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