Android系統的開機畫面顯示過程分析（1）

         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系統的UI實現做一個系統的分析，也算是落實以前所做出的承諾。提到Android系統的UI，咱們最早接觸到的即是系統在啓動過程當中所出現的畫面了。Android系統在啓動的過程當中，最多能夠出現三個畫面，每個畫面都用來描述一個不一樣的啓動階段。本文將詳細分析這三個開機畫面的顯示過程，以即可以開啓咱們對Android系統UI實現的分析之路。

        第一個開機畫面是在內核啓動的過程當中出現的，它是一個靜態的畫面。第二個開機畫面是在init進程啓動的過程當中出現的，它也是一個靜態的畫面。第三個開機畫面是在系統服務啓動的過程當中出現的，它是一個動態的畫面。不管是哪個畫面，它們都是在一個稱爲幀緩衝區（frame buffer，簡稱fb）的硬件設備上進行渲染的。接下來，咱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系統的第一個開機畫面實際上是Linux內核的啓動畫面。在默認狀況下，這個畫面是不會出現的，除非咱們在編譯內核的時候，啓用如下兩個編譯選項：

        CONFIG_FRAMEBUFFER_CONSOLE

        CONFIG_LOGO

        第一個編譯選項表示內核支持幀緩衝區控制檯，它對應的配置菜單項爲：Device Drivers ---> Graphics support ---> Console display driver support ---> Framebuffer Console support。第二個編譯選項表示內核在啓動的過程當中，須要顯示LOGO，它對應的配置菜單項爲：Device Drivers ---> Graphics support ---> Bootup logo。配置Android內核編譯選項能夠參考 在Ubuntu上下載、編譯和安裝Android最新內核源代碼（Linux Kernel） 一文。

        幀緩衝區硬件設備在內核中有一個對應的驅動程序模塊fbmem，它實如今文件kernel/goldfish/drivers/video/fbmem.c中，它的初始化函數以下所示：

 
     
     /**
 
     
      *      fbmem_init - init frame buffer subsystem
 
     
      *
 
     
      *      Initialize the frame buffer subsystem.
 
     
      *
 
     
      *      NOTE: This function is _only_ to be called by drivers/char/mem.c.
 
     
      *
 
     
      */

 
     
     static int __init
 
     
     fbmem_init(void)
 
     
     {
 
     
             proc_create("fb", 0, NULL, &fb_proc_fops);

 
     
             if (register_chrdev(FB_MAJOR,"fb",&fb_fops))
 
     
                     printk("unable to get major %d for fb devs\n", FB_MAJOR);

 
     
             fb_class = class_create(THIS_MODULE, "graphics");
 
     
             if (IS_ERR(fb_class)) {
 
     
                     printk(KERN_WARNING "Unable to create fb class; errno = %ld\n", PTR_ERR(fb_class));
 
     
                     fb_class = NULL;
 
     
             }
 
     
             return 0;
 
     
     }

        這個函數首先調用函數proc_create在/proc目錄下建立了一個fb文件，接着又調用函數register_chrdev來註冊了一個名稱爲fb的字符設備，最後調用函數class_create在/sys/class目錄下建立了一個graphics目錄，用來描述內核的圖形系統。

 

        模塊fbmem除了會執行上述初始化工做以外，還會導出一個函數register_framebuffer：

 
     
     EXPORT_SYMBOL(register_framebuffer);

        這個函數在內核的啓動過程會被調用，以便用來執行註冊幀緩衝區硬件設備的操做，它的實現以下所示：

 
     
     /**
 
     
      *      register_framebuffer - registers a frame buffer device
 
     
      *      @fb_info: frame buffer info structure
 
     
      *
 
     
      *      Registers a frame buffer device @fb_info.
 
     
      *
 
     
      *      Returns negative errno on error, or zero for success.
 
     
      *
 
     
      */

 
     
     int
 
     
     register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)
 
     
     {
 
     
             int i;
 
     
             struct fb_event event;
 
     
             ......

 
     
             if (num_registered_fb == FB_MAX)
 
     
                     return -ENXIO;

 
     
             ......

 
     
             num_registered_fb++;
 
     
             for (i = 0 ; i < FB_MAX; i++)
 
     
                     if (!registered_fb[i])
 
     
                             break;
 
     
             fb_info->node = i;
 
     
             mutex_init(&fb_info->lock);
 
     
             fb_info->dev = device_create(fb_class, fb_info->device,
 
     
                                          MKDEV(FB_MAJOR, i), NULL, "fb%d", i);
 
     
             if (IS_ERR(fb_info->dev)) {
 
     
                     /* Not fatal */
 
     
                     printk(KERN_WARNING "Unable to create device for framebuffer %d; errno = %ld\n", i, PTR_ERR(fb_info->dev));
 
     
                     fb_info->dev = NULL;
 
     
             } else
 
     
                     fb_init_device(fb_info);

 
     
             ......

 
     
             registered_fb[i] = fb_info;

 
     
             event.info = fb_info;
 
     
             fb_notifier_call_chain(FB_EVENT_FB_REGISTERED, &event);
 
     
             return 0;
 
     
     }

        因爲系統中可能會存在多個幀緩衝區硬件設備，所以，fbmem模塊使用一個數組registered_fb保存全部已經註冊了的幀緩衝區硬件設備，其中，每個幀緩衝區硬件都是使用一個結構體fb_info來描述的。

 

        咱們知道，在Linux內核中，每個硬件設備都有一個主設備號和一個從設備號，它們用來惟一地標識一個硬件設備。對於幀緩衝區硬件設備來講，它們的主設備號定義爲FB_MAJOR（29），而從設備號則與註冊的順序有關，它們的值依次等於0，1，2等。

        每個被註冊的幀緩衝區硬件設備在/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，第一個被註冊的幀緩衝區硬件設備在/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經過這個設備文件就能夠操做幀緩衝區硬件設備了，即將要顯示的畫面渲染到幀緩衝區硬件設備上去。

        這個函數最後會經過調用函數fb_notifier_call_chain來通知幀緩衝區控制檯，有一個新的幀緩衝區設備被註冊到內核中來了。

        幀緩衝區控制檯在內核中對應的驅動程序模塊爲fbcon，它實如今文件kernel/goldfish/drivers/video/console/fbcon.c中，它的初始化函數以下所示：

 
     
     static struct notifier_block fbcon_event_notifier = {
 
     
             .notifier_call  = fbcon_event_notify,
 
     
     };

 
     
     ......

 
     
     static int __init fb_console_init(void)
 
     
     {
 
     
             int i;

 
     
             acquire_console_sem();
 
     
             fb_register_client(&fbcon_event_notifier);
 
     
             fbcon_device = device_create(fb_class, NULL, MKDEV(0, 0), NULL,
 
     
                                          "fbcon");

 
     
             if (IS_ERR(fbcon_device)) {
 
     
                     printk(KERN_WARNING "Unable to create device "
 
     
                            "for fbcon; errno = %ld\n",
 
     
                            PTR_ERR(fbcon_device));
 
     
                     fbcon_device = NULL;
 
     
             } else
 
     
                     fbcon_init_device();

 
     
             for (i = 0; i < MAX_NR_CONSOLES; i++)
 
     
                     con2fb_map[i] = -1;

 
     
             release_console_sem();
 
     
             fbcon_start();
 
     
             return 0;
 
     
     }

        這個函數除了會調用函數device_create來建立一個類別爲graphics的設備fbcon以外，還會調用函數fb_register_client來監聽幀緩衝區硬件設備的註冊事件，這是由函數fbcon_event_notify來實現的，以下所示：

 
     
     static int fbcon_event_notify(struct notifier_block *self,
 
     
                                   unsigned long action, void *data)
 
     
     {
 
     
             struct fb_event *event = data;
 
     
             struct fb_info *info = event->info;
 
     
             ......
 
     
             int ret = 0;

 
     
             ......

 
     
             switch(action) {
 
     
             ......
 
     
             case FB_EVENT_FB_REGISTERED:
 
     
                     ret = fbcon_fb_registered(info);
 
     
                     break;
 
     
             ......

 
     
             }

 
     
     done:
 
     
             return ret;
 
     
     }

     幀緩衝區硬件設備的註冊事件最終是由函數fbcon_fb_registered來處理的，它的實現以下所示：

 
     
     static int fbcon_fb_registered(struct fb_info *info)
 
     
     {
 
     
             int ret = 0, i, idx = info->node;

 
     
             fbcon_select_primary(info);

 
     
             if (info_idx == -1) {
 
     
                     for (i = first_fb_vc; i <= last_fb_vc; i++) {
 
     
                             if (con2fb_map_boot[i] == idx) {
 
     
                                     info_idx = idx;
 
     
                                     break;
 
     
                             }
 
     
                     }

 
     
                     if (info_idx != -1)
 
     
                             ret = fbcon_takeover(1);
 
     
             } else {
 
     
                     for (i = first_fb_vc; i <= last_fb_vc; i++) {
 
     
                             if (con2fb_map_boot[i] == idx)
 
     
                                     set_con2fb_map(i, idx, 0);
 
     
                     }
 
     
             }

 
     
             return ret;
 
     
     }

        函數fbcon_select_primary用來檢查當前註冊的幀緩衝區硬件設備是不是一個主幀緩衝區硬件設備。若是是的話，那麼就將它的信息記錄下來。這個函數只有當指定了CONFIG_FRAMEBUFFER_CONSOLE_DETECT_PRIMARY編譯選項時纔有效，不然的話，它是一個空函數。

 

        在Linux內核中，每個控制檯和每個幀緩衝區硬件設備都有一個從0開始的編號，它們的初始對應關係保存在全局數組con2fb_map_boot中。控制檯和幀緩衝區硬件設備的初始對應關係是能夠經過設置內核啓動參數來初始化的。在模塊fbcon中，還有另一個全局數組con2fb_map，也是用來映射控制檯和幀緩衝區硬件設備的對應關係，不過它映射的是控制檯和幀緩衝區硬件設備的實際對應關係。

        全局變量first_fb_vc和last_fb_vc是全局數組con2fb_map_boot和con2fb_map的索引值，用來指定系統當前可用的控制檯編號範圍，它們也是能夠經過設置內核啓動參數來初始化的。全局變量first_fb_vc的默認值等於0，而全局變量last_fb_vc的默認值等於MAX_NR_CONSOLES - 1。

        全局變量info_idx表示系統當前所使用的幀緩衝區硬件的編號。若是它的值等於-1，那麼就說明系統當前尚未設置好當前所使用的幀緩衝區硬件設備。在這種狀況下，函數fbcon_fb_registered就會在全局數組con2fb_map_boot中檢查是否存在一個控制檯編號與當前所註冊的幀緩衝區硬件設備的編號idx對應。若是存在的話，那麼就會將當前所註冊的幀緩衝區硬件設備編號idx保存在全局變量info_idx中。接下來還會調用函數fbcon_takeover來初始化系統所使用的控制檯。在調用函數fbcon_takeover的時候，傳進去的參數爲1，表示要顯示第一個開機畫面。

        若是全局變量info_idx的值不等於-1，那麼函數fbcon_fb_registered一樣會在全局數組con2fb_map_boot中檢查是否存在一個控制檯編號與當前所註冊的幀緩衝區硬件設備的編號idx對應。若是存在的話，那麼就會調用函數set_con2fb_map來調整當前所註冊的幀緩衝區硬件設備與控制檯的映射關係，即調整數組con2fb_map_boot和con2fb_map的值。

        爲了簡單起見，咱們假設系統只有一個幀緩衝區硬件設備，這樣當它被註冊的時候，全局變量info_idx的值就會等於-1。當函數fbcon_fb_registered在全局數組con2fb_map_boot中發現有一個控制檯的編號與這個幀緩衝區硬件設備的編號idx對應時，接下來就會調用函數fbcon_takeover來設置系統所使用的控制檯。

        函數fbcon_takeover的實現以下所示：

 
     
     static int fbcon_takeover(int show_logo)
 
     
     {
 
     
             int err, i;

 
     
             if (!num_registered_fb)
 
     
                     return -ENODEV;

 
     
             if (!show_logo)
 
     
                     logo_shown = FBCON_LOGO_DONTSHOW;

 
     
             for (i = first_fb_vc; i <= last_fb_vc; i++)
 
     
                     con2fb_map[i] = info_idx;

 
     
             err = take_over_console(&fb_con, first_fb_vc, last_fb_vc,
 
     
                                     fbcon_is_default);

 
     
             if (err) {
 
     
                     for (i = first_fb_vc; i <= last_fb_vc; i++) {
 
     
                             con2fb_map[i] = -1;
 
     
                     }
 
     
                     info_idx = -1;
 
     
             }

 
     
             return err;
 
     
     }

        全局變量logo_shown的初始值爲FBCON_LOGO_CANSHOW，表示能夠顯示第一個開機畫面。可是當參數show_logo的值等於0的時候，全局變量logo_shown的值會被從新設置爲FBCON_LOGO_DONTSHOW，表示不能夠顯示第一個開機畫面。

 

        中間的for循環將當前可用的控制檯的編號都映射到當前正在註冊的幀緩衝區硬件設備的編號info_idx中去，表示當前可用的控制檯與緩衝區硬件設備的實際映射關係。

        函數take_over_console用來初始化系統當前所使用的控制檯。若是它的返回值不等於0，那麼就表示初始化失敗。在這種狀況下，最後的for循環就會將全局數組con2fb_map的各個元素的值設置爲-1，表示系統當前可用的控制檯尚未映射到實際的幀緩衝區硬件設備中去。這時候全局變量info_idx的值也會被從新設置爲-1。

       調用函數take_over_console來初始化系統當前所使用的控制檯，實際上就是向系統註冊一系列回調函數，以便系統能夠經過這些回調函數來操做當前所使用的控制檯。這些回調函數使用結構體consw來描述。這裏所註冊的結構體consw是由全局變量fb_con來指定的，它的定義以下所示：

 
     
     /*
 
     
      *  The console `switch' structure for the frame buffer based console
 
     
      */

 
     
     static const struct consw fb_con = {
 
     
             .owner                  = THIS_MODULE,
 
     
             .con_startup            = fbcon_startup,
 
     
             .con_init               = fbcon_init,
 
     
             .con_deinit             = fbcon_deinit,
 
     
             .con_clear              = fbcon_clear,
 
     
             .con_putc               = fbcon_putc,
 
     
             .con_putcs              = fbcon_putcs,
 
     
             .con_cursor             = fbcon_cursor,
 
     
             .con_scroll             = fbcon_scroll,
 
     
             .con_bmove              = fbcon_bmove,
 
     
             .con_switch             = fbcon_switch,
 
     
             .con_blank              = fbcon_blank,
 
     
             .con_font_set           = fbcon_set_font,
 
     
             .con_font_get           = fbcon_get_font,
 
     
             .con_font_default       = fbcon_set_def_font,
 
     
             .con_font_copy          = fbcon_copy_font,
 
     
             .con_set_palette        = fbcon_set_palette,
 
     
             .con_scrolldelta        = fbcon_scrolldelta,
 
     
             .con_set_origin         = fbcon_set_origin,
 
     
             .con_invert_region      = fbcon_invert_region,
 
     
             .con_screen_pos         = fbcon_screen_pos,
 
     
             .con_getxy              = fbcon_getxy,
 
     
             .con_resize             = fbcon_resize,
 
     
     };