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Android系統(tǒng)的開機畫面顯示過程分析
發(fā)布時間:  2012/8/30 17:29:52
好幾個月都沒有更新過博客了，從今天開始，老羅將嘗試對Android系統(tǒng)的UI實現(xiàn)作一個系統(tǒng)的分析，也算是落實之前所作出的承諾。提到Android系統(tǒng)的UI，我們最先接觸到的便是系統(tǒng)在啟動過程中所出現(xiàn)的畫面了。Android系統(tǒng)在啟動的過程中，最多可以出現(xiàn)三個畫面，每一個畫面都用來描述一個不同的啟動階段。本文將詳細分析這三個開機畫面的顯示過程，以便可以開啟我們對Android系統(tǒng)UI實現(xiàn)的分析之路。
        第一個開機畫面是在內(nèi)核啟動的過程中出現(xiàn)的，它是一個靜態(tài)的畫面。第二個開機畫面是在init進程啟動的過程中出現(xiàn)的，它也是一個靜態(tài)的畫面。第三個開機畫面是在系統(tǒng)服務啟動的過程中出現(xiàn)的，它是一個動態(tài)的畫面。無論是哪一個畫面，它們都是在一個稱為幀緩沖區(qū)（frame buffer，簡稱fb）的硬件設備上進行渲染的。接下來，我們就分別分析這三個畫面是如何在fb上顯示的。
        1. 第一個開機畫面的顯示過程
        Android系統(tǒng)的第一個開機畫面其實是Linux內(nèi)核的啟動畫面。在默認情況下，這個畫面是不會出現(xiàn)的，除非我們在編譯內(nèi)核的時候，啟用以下兩個編譯選項：
        CONFIG_FRAMEBUFFER_CONSOLE
        CONFIG_LOGO
        第一個編譯選項表示內(nèi)核支持幀緩沖區(qū)控制臺，它對應的配置菜單項為：Device Drivers ---> Graphics support ---> Console display driver support ---> Framebuffer Console support。第二個編譯選項表示內(nèi)核在啟動的過程中，需要顯示LOGO，它對應的配置菜單項為：Device Drivers ---> Graphics support ---> Bootup logo。配置Android內(nèi)核編譯選項可以參考在Ubuntu上下載、編譯和安裝Android最新內(nèi)核源代碼（Linux Kernel）一文。
        幀緩沖區(qū)硬件設備在內(nèi)核中有一個對應的驅動程序模塊fbmem，它實現(xiàn)在文件kernel/goldfish/drivers/video/fbmem.c中，它的初始化函數(shù)如下所示：
  1. /**  
  2.  *      fbmem_init - init frame buffer subsystem  
  3.  *  
  4.  *      Initialize the frame buffer subsystem.  
  5.  *  
  6.  *      NOTE: This function is _only_ to be called by drivers/char/mem.c.  
  7.  *  
  8.  */   
  9.    
  10. static int __init   
  11. fbmem_init(void)   
  12. {   
  13.         proc_create("fb", 0, NULL, &fb_proc_fops);   
  14.    
  15.         if (register_chrdev(FB_MAJOR,"fb",&fb_fops))   
  16.                 printk("unable to get major %d for fb devs\n", FB_MAJOR);   
  17.    
  18.         fb_class = class_create(THIS_MODULE, "graphics");   
  19.         if (IS_ERR(fb_class)) {   
  20.                 printk(KERN_WARNING "Unable to create fb class; errno = %ld\n", PTR_ERR(fb_class));   
  21.                 fb_class = NULL;   
  22.         }   
  23.         return 0;   
  24. }   
        這個函數(shù)首先調(diào)用函數(shù)proc_create在/proc目錄下創(chuàng)建了一個fb文件，接著又調(diào)用函數(shù)register_chrdev來注冊了一個名稱為fb的字符設備，最后調(diào)用函數(shù)class_create在/sys/class目錄下創(chuàng)建了一個graphics目錄，用來描述內(nèi)核的圖形系統(tǒng)。

 

 
        模塊fbmem除了會執(zhí)行上述初始化工作之外，還會導出一個函數(shù)register_framebuffer：
  1. EXPORT_SYMBOL(register_framebuffer);   

 

        這個函數(shù)在內(nèi)核的啟動過程會被調(diào)用，以便用來執(zhí)行注冊幀緩沖區(qū)硬件設備的操作，它的實現(xiàn)如下所示： 
  1. /**  
  2.  *      register_framebuffer - registers a frame buffer device  
  3.  *      @fb_info: frame buffer info structure  
  4.  *  
  5.  *      Registers a frame buffer device @fb_info.  
  6.  *  
  7.  *      Returns negative errno on error, or zero for success.  
  8.  *  
  9.  */   
  10.    
  11. int   
  12. register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)   
  13. {   
  14.         int i;   
  15.         struct fb_event event;   
  16.         ......   
  17.    
  18.         if (num_registered_fb == FB_MAX)   
  19.                 return -ENXIO;   
  20.    
  21.         ......   
  22.    
  23.         num_registered_fb++;   
  24.         for (i = 0 ; i < FB_MAX; i++)   
  25.                 if (!registered_fb[i])   
  26.                         break;   
  27.         fb_info->node = i;   
  28.         mutex_init(&fb_info->lock);   
  29.         fb_info->dev = device_create(fb_class, fb_info->device,   
  30.                                      MKDEV(FB_MAJOR, i), NULL, "fb%d", i);   
  31.         if (IS_ERR(fb_info->dev)) {   
  32.                 /* Not fatal */   
  33.                 printk(KERN_WARNING "Unable to create device for framebuffer %d; errno = %ld\n", i, PTR_ERR(fb_info->dev));   
  34.                 fb_info->dev = NULL;   
  35.         } else   
  36.                 fb_init_device(fb_info);   
  37.    
  38.         ......   
  39.    
  40.         registered_fb[i] = fb_info;   
  41.    
  42.         event.info = fb_info;   
  43.         fb_notifier_call_chain(FB_EVENT_FB_REGISTERED, &event);   
  44.         return 0;   
  45. }   
        由于系統(tǒng)中可能會存在多個幀緩沖區(qū)硬件設備，因此，fbmem模塊使用一個數(shù)組registered_fb保存所有已經(jīng)注冊了的幀緩沖區(qū)硬件設備，其中，每一個幀緩沖區(qū)硬件都是使用一個結構體fb_info來描述的。

 

 
        我們知道，在Linux內(nèi)核中，每一個硬件設備都有一個主設備號和一個從設備號，它們用來唯一地標識一個硬件設備。對于幀緩沖區(qū)硬件設備來說，它們的主設備號定義為FB_MAJOR（29），而從設備號則與注冊的順序有關，它們的值依次等于0，1，2等。
        每一個被注冊的幀緩沖區(qū)硬件設備在/dev/graphics目錄下都有一個對應的設備文件fb<minor>，其中，<minor>表示一個從設備號。例如，第一個被注冊的幀緩沖區(qū)硬件設備在/dev/graphics目錄下都有一個對應的設備文件fb0。用戶空間的應用程序通過這個設備文件就可以操作幀緩沖區(qū)硬件設備了，即將要顯示的畫面渲染到幀緩沖區(qū)硬件設備上去。
        這個函數(shù)最后會通過調(diào)用函數(shù)fb_notifier_call_chain來通知幀緩沖區(qū)控制臺，有一個新的幀緩沖區(qū)設備被注冊到內(nèi)核中來了。
        幀緩沖區(qū)控制臺在內(nèi)核中對應的驅動程序模塊為fbcon，它實現(xiàn)在文件kernel/goldfish/drivers/video/console/fbcon.c中，它的初始化函數(shù)如下所示：
  1. static struct notifier_block fbcon_event_notifier = {   
  2.         .notifier_call  = fbcon_event_notify,   
  3. };   
  4.    
  5. ......   
  6.    
  7. static int __init fb_console_init(void)   
  8. {   
  9.         int i;   
  10.    
  11.         acquire_console_sem();   
  12.         fb_register_client(&fbcon_event_notifier);   
  13.         fbcon_device = device_create(fb_class, NULL, MKDEV(0, 0), NULL,   
  14.                                      "fbcon");   
  15.    
  16.         if (IS_ERR(fbcon_device)) {   
  17.                 printk(KERN_WARNING "Unable to create device "   
  18.                        "for fbcon; errno = %ld\n",   
  19.                        PTR_ERR(fbcon_device));   
  20.                 fbcon_device = NULL;   
  21.         } else   
  22.                 fbcon_init_device();   
  23.    
  24.         for (i = 0; i < MAX_NR_CONSOLES; i++)   
  25.                 con2fb_map[i] = -1;   
  26.    
  27.         release_console_sem();   
  28.         fbcon_start();   
  29.         return 0;   
  30. }   

 

        這個函數(shù)除了會調(diào)用函數(shù)device_create來創(chuàng)建一個類別為graphics的設備fbcon之外，還會調(diào)用函數(shù)fb_register_client來監(jiān)聽幀緩沖區(qū)硬件設備的注冊事件，這是由函數(shù)fbcon_event_notify來實現(xiàn)的，如下所示： 
  1. static int fbcon_event_notify(struct notifier_block *self,   
  2.                               unsigned long action, void *data)   
  3. {   
  4.         struct fb_event *event = data;   
  5.         struct fb_info *info = event->info;   
  6.         ......   
  7.         int ret = 0;   
  8.    
  9.         ......   
  10.    
  11.         switch(action) {   
  12.         ......   
  13.         case FB_EVENT_FB_REGISTERED:   
  14.                 ret = fbcon_fb_registered(info);   
  15.                 break;   
  16.         ......   
  17.    
  18.         }   
  19.    
  20. done:   
  21.         return ret;   
  22. }   
     幀緩沖區(qū)硬件設備的注冊事件最終是由函數(shù)fbcon_fb_registered來處理的，它的實現(xiàn)如下所示： 
  1. static int fbcon_fb_registered(struct fb_info *info)   
  2. {   
  3.         int ret = 0, i, idx = info->node;   
  4.    
  5.         fbcon_select_primary(info);   
  6.    
  7.         if (info_idx == -1) {   
  8.                 for (i = first_fb_vc; i <= last_fb_vc; i++) {   
  9.                         if (con2fb_map_boot[i] == idx) {   
  10.                                 info_idx = idx;   
  11.                                 break;   
  12.                         }   
  13.                 }   
  14.    
  15.                 if (info_idx != -1)   
  16.                         ret = fbcon_takeover(1);   
  17.         } else {   
  18.                 for (i = first_fb_vc; i <= last_fb_vc; i++) {   
  19.                         if (con2fb_map_boot[i] == idx)   
  20.                                 set_con2fb_map(i, idx, 0);   
  21.                 }   
  22.         }   
  23.    
  24.         return ret;   
  25. }   
        函數(shù)fbcon_select_primary用來檢查當前注冊的幀緩沖區(qū)硬件設備是否是一個主幀緩沖區(qū)硬件設備。如果是的話，那么就將它的信息記錄下來。這個函數(shù)只有當指定了CONFIG_FRAMEBUFFER_CONSOLE_DETECT_PRIMARY編譯選項時才有效，否則的話，它是一個空函數(shù)。

 

 
        在Linux內(nèi)核中，每一個控制臺和每一個幀緩沖區(qū)硬件設備都有一個從0開始的編號，它們的初始對應關系保存在全局數(shù)組con2fb_map_boot中�？刂婆_和幀緩沖區(qū)硬件設備的初始對應關系是可以通過設置內(nèi)核啟動參數(shù)來初始化的。在模塊fbcon中，還有另外一個全局數(shù)組con2fb_map，也是用來映射控制臺和幀緩沖區(qū)硬件設備的對應關系，不過它映射的是控制臺和幀緩沖區(qū)硬件設備的實際對應關系。
        全局變量first_fb_vc和last_fb_vc是全局數(shù)組con2fb_map_boot和con2fb_map的索引值，用來指定系統(tǒng)當前可用的控制臺編號范圍，它們也是可以通過設置內(nèi)核啟動參數(shù)來初始化的。全局變量first_fb_vc的默認值等于0，而全局變量last_fb_vc的默認值等于MAX_NR_CONSOLES - 1。
        全局變量info_idx表示系統(tǒng)當前所使用的幀緩沖區(qū)硬件的編號。如果它的值等于-1，那么就說明系統(tǒng)當前還沒有設置好當前所使用的幀緩沖區(qū)硬件設備。在這種情況下，函數(shù)fbcon_fb_registered就會在全局數(shù)組con2fb_map_boot中檢查是否存在一個控制臺編號與當前所注冊的幀緩沖區(qū)硬件設備的編號idx對應。如果存在的話，那么就會將當前所注冊的幀緩沖區(qū)硬件設備編號idx保存在全局變量info_idx中。接下來還會調(diào)用函數(shù)fbcon_takeover來初始化系統(tǒng)所使用的控制臺。在調(diào)用函數(shù)fbcon_takeover的時候，傳進去的參數(shù)為1，表示要顯示第一個開機畫面。
        如果全局變量info_idx的值不等于-1，那么函數(shù)fbcon_fb_registered同樣會在全局數(shù)組con2fb_map_boot中檢查是否存在一個控制臺編號與當前所注冊的幀緩沖區(qū)硬件設備的編號idx對應。如果存在的話，那么就會調(diào)用函數(shù)set_con2fb_map來調(diào)整當前所注冊的幀緩沖區(qū)硬件設備與控制臺的映射關系，即調(diào)整數(shù)組con2fb_map_boot和con2fb_map的值。
        為了簡單起見，我們假設系統(tǒng)只有一個幀緩沖區(qū)硬件設備，這樣當它被注冊的時候，全局變量info_idx的值就會等于-1。當函數(shù)fbcon_fb_registered在全局數(shù)組con2fb_map_boot中發(fā)現(xiàn)有一個控制臺的編號與這個幀緩沖區(qū)硬件設備的編號idx對應時，接下來就會調(diào)用函數(shù)fbcon_takeover來設置系統(tǒng)所使用的控制臺。
        函數(shù)fbcon_takeover的實現(xiàn)如下所示：
  1. static int fbcon_takeover(int show_logo)   
  2. {   
  3.         int err, i;   
  4.    
  5.         if (!num_registered_fb)   
  6.                 return -ENODEV;   
  7.    
  8.         if (!show_logo)   
  9.                 logo_shown = FBCON_LOGO_DONTSHOW;   
  10.    
  11.         for (i = first_fb_vc; i <= last_fb_vc; i++)   
  12.                 con2fb_map[i] = info_idx;   
  13.    
  14.         err = take_over_console(&fb_con, first_fb_vc, last_fb_vc,   
  15.                                 fbcon_is_default);   
  16.    
  17.         if (err) {   
  18.                 for (i = first_fb_vc; i <= last_fb_vc; i++) {   
  19.                         con2fb_map[i] = -1;   
  20.                 }   
  21.                 info_idx = -1;   
  22.         }   
  23.    
  24.         return err;   
  25. }   

 

        全局變量logo_shown的初始值為FBCON_LOGO_CANSHOW，表示可以顯示第一個開機畫面。但是當參數(shù)show_logo的值等于0的時候，全局變量logo_shown的值會被重新設置為FBCON_LOGO_DONTSHOW，表示不可以顯示第一個開機畫面。

 

 
        中間的for循環(huán)將當前可用的控制臺的編號都映射到當前正在注冊的幀緩沖區(qū)硬件設備的編號info_idx中去，表示當前可用的控制臺與緩沖區(qū)硬件設備的實際映射關系。
        函數(shù)take_over_console用來初始化系統(tǒng)當前所使用的控制臺。如果它的返回值不等于0，那么就表示初始化失敗。在這種情況下，最后的for循環(huán)就會將全局數(shù)組con2fb_map的各個元素的值設置為-1，表示系統(tǒng)當前可用的控制臺還沒有映射到實際的幀緩沖區(qū)硬件設備中去。這時候全局變量info_idx的值也會被重新設置為-1。
       調(diào)用函數(shù)take_over_console來初始化系統(tǒng)當前所使用的控制臺，實際上就是向系統(tǒng)注冊一系列回調(diào)函數(shù)，以便系統(tǒng)可以通過這些回調(diào)函數(shù)來操作當前所使用的控制臺。這些回調(diào)函數(shù)使用結構體consw來描述。這里所注冊的結構體consw是由全局變量fb_con來指定的，它的定義如下所示：
  1. /*  
  2.  *  The console `switch' structure for the frame buffer based console  
  3.  */   
  4.    
  5. static const struct consw fb_con = {   
  6.         .owner                  = THIS_MODULE,   
  7.         .con_startup            = fbcon_startup,   
  8.         .con_init               = fbcon_init,   
  9.         .con_deinit             = fbcon_deinit,   
  10.         .con_clear              = fbcon_clear,   
  11.         .con_putc               = fbcon_putc,   
  12.         .con_putcs              = fbcon_putcs,   
  13.         .con_cursor             = fbcon_cursor,   
  14.         .con_scroll             = fbcon_scroll,   
  15.         .con_bmove              = fbcon_bmove,   
  16.         .con_switch             = fbcon_switch,   
  17.         .con_blank              = fbcon_blank,   
  18.         .con_font_set           = fbcon_set_font,   
  19.         .con_font_get           = fbcon_get_font,   
  20.         .con_font_default       = fbcon_set_def_font,   
  21.         .con_font_copy          = fbcon_copy_font,   
  22.         .con_set_palette        = fbcon_set_palette,   
  23.         .con_scrolldelta        = fbcon_scrolldelta,   
  24.         .con_set_origin         = fbcon_set_origin,   
  25.         .con_invert_region      = fbcon_invert_region,   
  26.         .con_screen_pos         = fbcon_screen_pos,   
  27.         .con_getxy              = fbcon_getxy,   
  28.         .con_resize             = fbcon_resize,   
  29. };   

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