Framework de synchronisation

Le framework de synchronisation décrit explicitement les dépendances entre différentes opérations asynchrones dans le système graphique Android. Le framework fournit une API qui permet aux composants d'indiquer à quel moment les tampons sont libérés. Le framework permet également de transmettre des primitives de synchronisation entre les pilotes du noyau et l'espace utilisateur, ainsi qu'entre les processus de l'espace utilisateur eux-mêmes.

Par exemple, une application peut mettre en file d'attente des tâches à effectuer dans le GPU. Le GPU commence à dessiner cette image. Bien que l'image n'ait pas encore été dessinée dans la mémoire, le pointeur de tampon est transmis au compositeur de fenêtre avec une clôture indiquant quand le travail du GPU se terminera. Le compositeur de fenêtre commence le traitement à l'avance et transmet le travail au contrôleur d'affichage. De la même manière, le travail du processeur est effectué à l'avance. Une fois le GPU terminé, le contrôleur d'affichage affiche immédiatement l'image.

Le framework de synchronisation permet également aux implémentateurs d'exploiter les ressources de synchronisation dans leurs propres composants matériels. Enfin, le framework offre une visibilité sur le pipeline graphique pour faciliter le débogage.

Synchronisation explicite

La synchronisation explicite permet aux producteurs et aux consommateurs de tampons graphiques de signaler quand ils ont fini d'utiliser un tampon. La synchronisation explicite est implémentée dans l'espace kernel.

Voici les avantages de la synchronisation explicite:

  • Moins de variations de comportement entre les appareils
  • Meilleure compatibilité avec le débogage
  • Amélioration des métriques de test

Le framework de synchronisation comporte trois types d'objets:

  • sync_timeline
  • sync_pt
  • sync_fence

sync_timeline

sync_timeline est une chronologie croissante monotone que les fournisseurs doivent implémenter pour chaque instance de pilote, comme un contexte GL, un contrôleur d'affichage ou un blitter 2D. sync_timeline compte les tâches envoyées au noyau pour un matériel spécifique. sync_timeline fournit des garanties sur l'ordre des opérations et permet des implémentations spécifiques au matériel.

Suivez ces consignes lors de l'implémentation de sync_timeline:

  • Indiquez des noms utiles pour tous les pilotes, les chronologies et les clôtures afin de simplifier le débogage.
  • Implémentez les opérateurs timeline_value_str et pt_value_str dans les chronologies pour rendre la sortie de débogage plus lisible.
  • Implémentez le remplissage driver_data pour accorder aux bibliothèques de l'espace utilisateur, telles que la bibliothèque GL, l'accès aux données de chronologie privées, si vous le souhaitez. data_driver permet aux fournisseurs de transmettre des informations sur les sync_fence et sync_pts immuables pour créer des lignes de commande en fonction d'eux.
  • N'autorisez pas l'espace utilisateur à créer ou à signaler explicitement une clôture. La création explicite de signaux/de barrières entraîne une attaque de déni de service qui interrompt le fonctionnement du pipeline.
  • N'accédez pas explicitement aux éléments sync_timeline, sync_pt ou sync_fence. L'API fournit toutes les fonctions requises.

synchronisation_pt

sync_pt est une valeur ou un point unique sur un sync_timeline. Un point peut avoir trois états: actif, signalé et erreur. Les points commencent à l'état actif et passent aux états signalés ou d'erreur. Par exemple, lorsqu'un consommateur d'images n'a plus besoin d'un tampon, un sync_pt est signalé afin qu'un producteur d'images sache qu'il est possible d'écrire à nouveau dans le tampon.

sync_fence

sync_fence est un ensemble de valeurs sync_pt qui ont souvent des parents sync_timeline différents (par exemple, pour le contrôleur d'affichage et le GPU). sync_fence, sync_pt et sync_timeline sont les principales primitives que les pilotes et l'espace utilisateur utilisent pour communiquer leurs dépendances. Lorsqu'une clôture est signalée, toutes les commandes émises avant la clôture sont garanties comme étant terminées, car le pilote du noyau ou le bloc matériel exécute les commandes dans l'ordre.

Le framework de synchronisation permet à plusieurs consommateurs ou producteurs de signaler quand ils ont terminé d'utiliser un tampon, en communiquant les informations de dépendance avec un paramètre de fonction. Les barrières sont prises en charge par un descripteur de fichier et sont transmises de l'espace kernel à l'espace utilisateur. Par exemple, une clôture peut contenir deux valeurs sync_pt qui indiquent quand deux consommateurs d'images distincts ont terminé de lire un tampon. Lorsque la clôture est signalée, les producteurs d'images savent que les deux consommateurs ont terminé leur consommation.

Les clôtures, comme les valeurs sync_pt, commencent à être actives et changent d'état en fonction de l'état de leurs points. Si toutes les valeurs sync_pt sont signalées, sync_fence est également signalé. Si un sync_pt passe dans un état d'erreur, l'sync_fence entière passe dans un état d'erreur.

L'appartenance à un sync_fence est immuable une fois la clôture créée. Pour obtenir plusieurs points dans une clôture, une fusion est effectuée en ajoutant des points de deux clôtures distinctes à une troisième. Si l'un de ces points a été signalé dans la clôture d'origine et que l'autre ne l'a pas été, la troisième clôture ne sera pas non plus dans un état signalé.

Pour implémenter une synchronisation explicite, fournissez les éléments suivants:

  • Sous-système d'espace noyau qui implémente le framework de synchronisation pour un pilote matériel particulier. Les pilotes qui doivent être compatibles avec les barrières sont généralement tous ceux qui accèdent ou communiquent avec le compilateur matériel. Voici les principaux fichiers :
    • Implémentation de base :
      • kernel/common/include/linux/sync.h
      • kernel/common/drivers/base/sync.c
    • Documentation sur kernel/common/Documentation/sync.txt
    • Bibliothèque permettant de communiquer avec l'espace noyau dans platform/system/core/libsync
  • Le fournisseur doit fournir les barrières de synchronisation appropriées en tant que paramètres aux fonctions validateDisplay() et presentDisplay() dans le HAL.
  • Deux extensions GL liées aux barrières (EGL_ANDROID_native_fence_sync et EGL_ANDROID_wait_sync) et prise en charge des barrières dans le pilote graphique.

Étude de cas: Implémenter un pilote d'affichage

Pour utiliser l'API compatible avec la fonction de synchronisation, développez un pilote d'affichage doté d'une fonction de tampon d'affichage. Avant l'existence du framework de synchronisation, cette fonction recevait des objets dma-buf, mettait ces tampons à l'écran et se bloquait lorsque le tampon était visible. Exemple :

/*
 * assumes buffer is ready to be displayed.  returns when buffer is no longer on
 * screen.
 */
void display_buffer(struct dma_buf *buffer);

Avec le framework de synchronisation, la fonction display_buffer est plus complexe. Lorsque vous affichez un tampon, il est associé à une clôture qui indique quand le tampon sera prêt. Vous pouvez mettre en file d'attente et lancer le travail une fois la clôture effacée.

Mettre en file d'attente et lancer le travail une fois la clôture effacée ne bloque rien. Vous renvoyez immédiatement votre propre clôture, ce qui garantit le moment où le tampon sera supprimé de l'écran. Lorsque vous mettez en file d'attente des tampons, le noyau liste les dépendances avec le framework de synchronisation:

/*
 * displays buffer when fence is signaled.  returns immediately with a fence
 * that signals when buffer is no longer displayed.
 */
struct sync_fence* display_buffer(struct dma_buf *buffer, struct sync_fence
*fence);

Intégration de la synchronisation

Cette section explique comment intégrer le framework de synchronisation de l'espace noyau aux parties de l'espace utilisateur du framework Android et aux pilotes qui doivent communiquer entre eux. Les objets de l'espace du noyau sont représentés par des descripteurs de fichier dans l'espace utilisateur.

Conventions d'intégration

Respectez les conventions de l'interface HAL Android:

  • Si l'API fournit un descripteur de fichier qui fait référence à un sync_pt, le pilote du fournisseur ou le HAL qui utilise l'API doit fermer le descripteur de fichier.
  • Si le pilote du fournisseur ou le HAL transmet un descripteur de fichier contenant un élément sync_pt à une fonction d'API, le pilote du fournisseur ou le HAL ne doit pas fermer le descripteur de fichier.
  • Pour continuer à utiliser le descripteur de fichier de clôture, le pilote du fournisseur ou le HAL doit dupliquer le descripteur.

Un objet fence est renommé chaque fois qu'il passe par BufferQueue. La prise en charge des barrières de kernel permet aux barrières d'avoir des chaînes pour noms. Le framework de synchronisation utilise donc le nom de la fenêtre et l'indice de tampon mis en file d'attente pour nommer la barrière, par exemple SurfaceView:0. Cela est utile pour le débogage afin d'identifier la source d'un blocage, car les noms apparaissent dans la sortie de /d/sync et les rapports de bugs.

Intégration d'ANativeWindow

ANativeWindow est compatible avec les cloisonnements. dequeueBuffer, queueBuffer et cancelBuffer ont des paramètres de clôture.

Intégration OpenGL ES

L'intégration de la synchronisation OpenGL ES repose sur deux extensions EGL:

  • EGL_ANDROID_native_fence_sync permet d'encapsuler ou de créer des descripteurs de fichier de clôture Android natifs dans des objets EGLSyncKHR.
  • EGL_ANDROID_wait_sync permet les arrêts côté GPU plutôt que côté CPU, ce qui oblige le GPU à attendre EGLSyncKHR. L'extension EGL_ANDROID_wait_sync est identique à l'extension EGL_KHR_wait_sync.

Pour utiliser ces extensions indépendamment, implémentez l'extension EGL_ANDROID_native_fence_sync avec la prise en charge du noyau associée. Ensuite, activez l'extension EGL_ANDROID_wait_sync dans votre pilote. L'extension EGL_ANDROID_native_fence_sync consiste en un type d'objet EGLSyncKHR de clôture natif distinct. Par conséquent, les extensions qui s'appliquent aux types d'objets EGLSyncKHR existants ne s'appliquent pas nécessairement aux objets EGL_ANDROID_native_fence, ce qui évite les interactions indésirables.

L'extension EGL_ANDROID_native_fence_sync utilise un attribut de descripteur de fichier de clôture natif correspondant qui ne peut être défini qu'au moment de la création et ne peut pas être interrogé directement à partir d'un objet de synchronisation existant. Cet attribut peut être défini sur l'un des deux modes suivants:

  • Un descripteur de fichier de barrière valide encapsule un descripteur de fichier de barrière Android natif existant dans un objet EGLSyncKHR.
  • -1 crée un descripteur de fichier de barrière Android natif à partir d'un objet EGLSyncKHR.

Utilisez l'appel de fonction DupNativeFenceFD() pour extraire l'objet EGLSyncKHR du descripteur de fichier de clôture Android natif. Le résultat est le même que celui obtenu en interrogeant l'attribut défini, mais il respecte la convention selon laquelle le destinataire ferme la clôture (d'où l'opération en double). Enfin, la destruction de l'objet EGLSyncKHR ferme l'attribut de clôture interne.

Intégration du Compositeur de matériel

Le Compositeur de matériel gère trois types de barrières de synchronisation:

  • Les barrières d'acquisition sont transmises avec les tampons d'entrée aux appels setLayerBuffer et setClientTarget. Ils représentent une écriture en attente dans le tampon et doivent être signalés avant que SurfaceFlinger ou le HWC ne tente de lire à partir du tampon associé pour effectuer la composition.
  • Les barrières de version sont récupérées après l'appel de presentDisplay à l'aide de l'appel getReleaseFences. Ils représentent une lecture en attente à partir du tampon précédent sur la même couche. Une barrière de libération signale lorsque le HWC n'utilise plus le tampon précédent, car le tampon actuel a remplacé le tampon précédent à l'écran. Les barrières de version sont renvoyées à l'application avec les tampons précédents qui seront remplacés pendant la composition actuelle. L'application doit attendre les signaux d'une clôture de version avant d'écrire le nouveau contenu dans le tampon qui lui a été renvoyé.
  • Les barrières actuelles sont renvoyées, une par frame, dans le cadre de l'appel de presentDisplay. Les barrières actuelles indiquent quand la composition de ce frame est terminée ou, à défaut, quand le résultat de la composition du frame précédent n'est plus nécessaire. Pour les écrans physiques, presentDisplay renvoie les barrières présentes lorsque le frame actuel s'affiche à l'écran. Une fois les barrières présentes renvoyées, vous pouvez à nouveau écrire dans le tampon cible SurfaceFlinger, le cas échéant. Pour les écrans virtuels, les barrières de présentation sont renvoyées lorsqu'il est possible de lire à partir du tampon de sortie.