vSync信号和屏幕成像基本流程分析

背景

最近在做Flutter知识学习的时候,有时间会看到vsync信号,不知道所谓何物,所以专门抽时间简单学习了一下,以此篇文章做个记录,具体内容请查看我的参考资料即可

图像生成到缓冲区

  • GPU这个概念是由Nvidia公司于1999年提出的。GPU是显卡上的一块芯片,就像CPU是主板上的一块芯片
  • 下面矩形框里面的应该就是显卡了
    CPU和显卡知乎解释
image.png
  1. CPU 绘制 View 树,计算好图形数据,提交到系统内存中
  2. CPU提交完成以后,通知 GPU 计算完成,系统总线会把数据拷贝到 GPU 的显存里
  3. GPU 开始处理数据,以特定的 显卡帧率 把数据写到显卡的缓冲区里
  4. 视频控制器收到 垂直同步信号 ,逐行读取帧缓冲区的数据,交给显示器
  5. 显卡帧率:即 Frame Rate,单位 fps,是指 gpu 生成帧的速率,如 33 fps,60fps,越高越好。

#单缓冲

单缓冲,也就是只有一个缓冲区(buffer),GPU 向 buffer 中写入数据,屏幕从 buffer 中取图像数据、刷新后显示,理想的情况是 显卡帧率 屏幕刷新频率 相等,每绘制一帧,屏幕显示一帧。而实际情况是,二者之间没有必然的大小关系,如果没有同步机制,很容易出现问题。

  1. 例如,当显卡帧率大于屏幕刷新频率,屏幕准备刷新第2帧的时候,GPU 已经在生成第3帧了,就会覆盖第2帧的部分数据。
  2. 当屏幕开始刷新第2帧的时候,缓冲区中的数据一部分是第3帧数据,一部分是第2帧的数据,显示出来的图像就会出现明显的偏差,也就是撕裂(tearing)。

#双缓冲

为了单缓冲的撕裂和效率问题,双缓冲诞生了。
双缓冲有两个缓冲区:frame bufferback buffer,GPU 向 back buffer 中写数据,屏幕从 frame buffer 中读数据。这样不仅可以提升效率,而且可以避免因为帧率和刷新率不一致,导致图像数据错乱。
但是这两个 buffer怎么去同步呢?这里就需要 垂直同步信号
当开启垂直同步后,就会变成这样:

  1. GPU 会等待 垂直同步信号 发出后,复制 back buffer 的数据到 frame buffer里(交换两个缓冲区的内存地址)
  2. 渲染下一帧数据,写到缓冲区里

这样看来,帧率大于刷新频率时,帧率就会被迫跟刷新频率保持同步,从而避免撕裂现象。
需要注意的是,双缓冲 + 垂直同步信号仍然不能完全保证正常显示,比如说:

  1. 收到垂直同步信号时,如果 GPU 正在往缓冲区里写数据,CPU、GPU 绘制一帧的时间超过16ms,也就是一个 屏幕刷新周期 还没有准备完,这时候两个缓冲区不会发生复制。
  2. 当屏幕进入下一个刷新周期时,从 frame buffer 中取出的是上一帧数据,即两个刷新周期显示的是同一帧数据,也就是掉帧(Jank)。

为此,引入了 三缓冲,但是仍然避免不了卡顿和延迟的现象,这里就不详细介绍了,可以自行查阅相关资料

显示器部分

  • 一贞数据是"扫描枪"先横向扫描,然后再从下一行开头再扫描一行,一直向下扫描到最后一行,从而完成一贞图像

  • 换一行有个短暂空白期,这就是水平消隐,简称 hblank(horizontal blank interval

  • 完成一贞后从头开始,有个短暂的空白期,这就是垂直消隐,

  • 垂直同步信号:当扫描点回到初始点,在准备扫描下一帧的时候,同时发出垂直同步信号,告诉显卡可以渲染下一帧了。这种情况下,显卡的渲染能力会受到屏幕刷新率 的制约。如果显示器刷新频率是60Hz,显卡帧率最多只会达到60。对于高帧率的显卡,开启垂直同步自然会制约其性能发挥。

image.png

参考

理解 VSync

屏幕刷新原理 重点参考这篇

LCD显示器显像的信号HSync ,VSync

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