Linux framebuffer deferred io机制

一、总体框架

　　deferred io机制主要用于驱动没有实现自刷新同时应用层又不想调用FBIOPAN_DISPLAY的一个折中方案，  使用ioctrl FBIOPAN_DISPLAY好处是节能， 驱动不用盲目的刷数据（尤其是一静态帧数据）， 数据的更新是由应用程序操作的，

所以应用程序当然知道何时刷数据， 最理想的情况是应用程序一更新数据立马调用FBIOPAN_DISPLAY， 但也有缺点， 一是要应用层显示调用FBIOPAN_DISPLAY，二是画面更新频率高的话， FBIOPAN_DISPLAY带来的系统调用开支也不小；

使用驱动自刷新当然解放应用， 应用不用关心数据显示问题， 直接操作显存， 所写即所见。

二、源码分析

　　代码具体在linux/drivers/video/fb_defio.c， 如下演示刷图穿插该框架的实现代码：

　　1. fb_defio 自己实现一个mmap()， 没有将用户空间虚拟地址和物理帧缓存进行页表映射， 倒是提供了缺页异常处理函数

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. 应用程序通过mmap()， 获得一块帧缓存的虚拟地址， 但没有对应的实际物理内存

　

　　3. 应用程序操作内存（write）， 由于页表没有对应物理内存导致缺页异常

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);

　　从上面流程可以看出， 当vm_ops且fault有效时， 会走自定义的fault实现， 同时如果操作时write行为， 还会调用page_mkwrite（有效的话）

　　4. fb_defio提供了缺页异常的处理函数fb_deferred_io_fault()， 分配物理页跟虚拟地址对应起来， 并把该物理页挂到fbdefio->pagelist（即将被刷新数据）， 然后启动工作队列延迟delay后执行这个工作项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
");

    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;
}

/* 需要注意的是帧缓存是一开始fb驱动就应该分配好的， 同时赋值给fb_info->screen_base, fb_info->fix.smem_start
 * 而fb_deferred_io_fault()-> fb_deferred_io_page()分配内存只是找出并返回此次缺页异常页虚拟地址对应的物理地址，
 * 好填充页表， 这样应用程序就可以正常write数据到缓存， 整个过程对应用程序是透明的。
*/                                     

　　5. fb_deferred_io_work() 最核心就是调用函数指针fbdefio->deferred_io（驱动要实现的刷数据函数）， 并调用page_mkclean()将之前虚拟地址和帧物理页的映射清除， 使得下次操作这块虚拟地址又能重新触发缺页机制

　　

二、fb驱动示例

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脏页， 由于我驱动用SPI DMA搬数据，会存在cache不一致， 所以要把cache的缓存刷回内存 */
    list_for_each_entry(cur, &fbdefio->pagelist, lru) {
        flush_dcache_page(cur);
    }
    
    /* 虽然pagelist存放都是脏页，我懒得对这些页在帧的位置进行排布分析， 直接一整帧都刷
       也即哪怕应用程序改动一个page， 驱动都会整帧刷*/
    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机制， 要打开CONFIG_FB_DEFERRED_IO配置

　　2. 这里没有帧率说法， 只跟应用刷图有关

　　3. 缺页异常会被调用多次， 但fb_deferred_io_work()只会被最后页调用一次， 比如应用要刷,2个page， 第一个page导致fb_deferred_io_mkwrite()添加到pagelist， 然后调用schedule_delayed_work()启动延迟1/8s的工作项fb_deferred_io_work(),

　　　接着引发第二页缺页异常会被继续添加到pagelist， schedule_delayed_work再次被执行， 但只是重新更新延迟时间为1/8s

　　4. 我感觉page_mkclean() 这里有个bug， 它是把物理页所有的映射都清除， 包括kernel空间的虚拟地址， 那下次缺页异常时fb_deferred_io_page() -> vmalloc_to_page(screen_base + offs), 就会有问题， 因为页表被清除掉了， 所以该框架目前应该只支持连续的帧缓存