프레임버퍼
프레임버퍼란 그래픽 엔진에서 디스플레이에 표시할 다음 이미지를 준비할 목적으로 업데이트되는 메모리를 말합니다.
프레임버퍼는 일정 크기의 RAM에 인접한 부분입니다.
프레임버퍼 메모리
프레임버퍼에는 연관된 가로와 세로가 있습니다. 이러한 이유로 프레임버퍼는 x,y 좌표로 인덱싱이 가능한 2D 메모리라는 인식이 있습니다.
2D 프레임버퍼 메모리
프레임버퍼에는 연관된 색상 형식이 있습니다. 프레임버퍼의 시작 부분은 이러한 색상 형식에 따른 색상을 나타냅니다. 따라서 프레임버퍼의 이러한 각 시작 부분을 픽셀이라고 칭하겠습니다.
프레임버퍼의 픽셀 메모리 주소를 계산하여 저장된 색상을 업데이트하면 프레임버퍼에서 x, y 위치의 픽셀 색상을 업데이트할 수 있습니다.
uint32_t pixelAddress = x + y * WIDTH;
framebuffer[ pixelAddress ] = newColor;
마찬가지로 프레임버퍼의 픽셀 색상을 가져와서 계산에 사용할 수도 있습니다. 예를 들어 프레임버퍼의 픽셀 색상을 어둡게 할 수 있습니다(darken 함수를 사용할 수 있는 경우).
uint32_t pixelAddress = x + y * WIDTH;
framebuffer[ pixelAddress ] = darken( framebuffer[ pixelAddress ] );
프레임버퍼 메모리는 위와 같이 픽셀 단위로 쓰거나 읽는 경우가 많지 않고, Chrom-ART DMA와 같은 시스템 기반 하드웨어 기능을 주로 이용해 쓰거나 읽습니다.
색상
TouchGFX에서 프레임버퍼의 픽셀 색상 형식은 다음 중 한 가지입니다.
- 그레이스케일 1, 2 또는 4bpp(Bits per Pixel) 그레이스케일
- 하이 또는 트루 컬러 16, 24 또는 32bpp 색상
bpp를 많이 사용할수록 프레임버퍼에서 나타낼 수 있는 고유 색상도 늘어납니다. 나아가, bpp를 많이 사용할수록 프레임버퍼의 메모리 소비량도 증가합니다.
디스플레이
프레임버퍼의 내용은 최종적으로 물리적 디스플레이에 전송되어 표시됩니다. 따라서 프레임버퍼와 디스플레이의 픽셀 가로 및 세로가 서로 동일한 경우가 많습니다.
24bpp 프레임버퍼 내용과 그에 따른 디스플레이 결과
Further reading
프레임버퍼 위치
마이크로컨트롤러 기반의 그래픽 시스템을 크게 단순화하면 다음과 같습니다.
그래픽 시스템 개략도
프레임버퍼는 MCU 내부 또는 외부 RAM에 저장됩니다.
가능한 프레임버퍼 위치
각 위치는 잠재적 장점과 단점이 있습니다.
내부 RAM
프레임버퍼를 MCU 내부 RAM에 저장하면 프레임버퍼에 대한 읽기/쓰기 액세스 속도를 극대화할 수 있습니다. 따라서 TouchGFX 애플리케이션도 최대한 원활하게 실행됩니다. 반대로 내부 RAM은 다수의 시스템 구성요소에서 사용하여 매우 부족한 리소스이기 때문에 프레임버퍼가 많은 용량을 차지하기는 어려울 수 있습니다.
하지만 만약 가능하다면 프레임버퍼를 내부 RAM에 저장하여 RAM을 추가할 필요가 없기 때문에 시스템의 전반적인 비용을 줄일 수 있습니다.
외부 RAM
시스템에 외부 RAM이 있다면 프레임버퍼를 외부 RAM에 저장하여 내부 RAM을 대체할 수도 있습니다. 외부 RAM에 대한 읽기/쓰기 액세스 속도는 내부 RAM에 비해 대체로 느린 반면, 외부 RAM의 용량은 일반적으로 내부 RAM보다 훨씬 큽니다 따라서 외부 RAM이 유일한 해결책일 때도 있습니다.
MCU는 캐싱과 같이 외부 RAM에 대한 액세스 속도를 높여주는 기능을 지원하기도 합니다. 자세한 내용은 MCU 섹션을 참조하십시오.
RAM 내장 디스플레이
시스템의 디스플레이 유형에 따라 디스플레이에 메모리가 내장되는 경우도 있습니다. 이러한 메모리에는 디스플레이의 “물리적” 픽셀 내용이 저장됩니다. 픽셀 메모리가 디스플레이에 내장된다는 것은 디스플레이가 작동 중일 때도 MCU가 유휴 상태가 될 수 있다는 것을 의미합니다.
TouchGFX 프레임버퍼는 디스플레이의 RAM에 저장되지 않는데, 그 이유는 디스플레이의 내부 메모리가 메모리 매핑이 되지 않으며 랜덤 픽셀 읽기 또는 쓰기에 적합하지 않기 때문입니다. 대신에 TouchGFX는 프레임버퍼를 내부 또는 외부 RAM에 저장해두고 필요할 때 이를 디스플레이 RAM으로 전송합니다.
프레임버퍼 크기
TouchGFX는 애플리케이션에서 프레임버퍼를 1개 이상 또는 1개 미만으로 사용할 수 있습니다. 프레임버퍼의 크기는 애플리케이션의 외관과 성능 및 메모리 소비량에 영향을 미칠 수 있습니다.
프레임버퍼가 1개일 때
프레임버퍼 1개만으로도 디스플레이에 전송되는 픽셀을 모두 정확히 저장할 수 있습니다. 디스플레이에 내부 RAM이 없을 때 프레임버퍼가 1개 이상 필요합니다. 이때 표시되는 그래픽이 복잡하여 시각적 아티팩트(visual artifacts, 디지털 이미지의 그래픽 결함)를 유발하지 않는다면 프레임버퍼 1개가 적합합니다.
프레임버퍼가 다수일 때
TouchGFX에서 프레임버퍼가 다수라는 말은 2개라는 것을 의미합니다. 1개는 다음 이미지를 쓸 때 사용되고, 나머지 1개는 디스플레이에 전송할 때 사용됩니다. 단, 티어링(tearing)과 같은 시각적 아티팩트는 표시되지 않아야 합니다.
프레임버퍼가 1개 미만일 때
일반적으로 프레임버퍼가 1개 미만이면,
- 사용되는 메모리도 적습니다.
- 그리기 연산 성능이 향상됩니다.
- 디스플레이에 더 많이 전송해야 합니다.
TouchGFX에서 프레임버퍼가 1개 미만이면 부분적 프레임버퍼를 의미합니다. 부분적 프레임버퍼 기법은 RAM이 내장된 디스플레이에서만 사용할 수 있습니다.
메모리 사용
프레임버퍼의 메모리 소비량은 색상 크기와 픽셀 수에 따라 달라집니다.
일반적으로 프레임버퍼에서 사용되는 메모리의 크기는 가로 세로 색 심도(비트) / 8바이트로 계산합니다.
| 해상도(픽셀) | 색상(bpp) | 계산 | 메모리 사용량(바이트) |
|---|---|---|---|
| 800 x 480 | 16bpp | 800 480 16 / 8 | 768,000B |
| 480 x 272 | 24bpp | 480 272 24 / 8 | 391,680B |
| 100 x 100 | 8bpp | 100 100 8 / 8 | 10,000B |
프레임버퍼가 다수일 경우에는 사용되는 메모리의 크기도 그만큼 커집니다. 예를 들어 프레임버퍼를 2개 사용하는 이중 버퍼링 기법을 적용하면 사용되는 메모리 크기도 2배로 늘어납니다.
반대로 프레임버퍼를 1개 미만으로 사용하는 경우에는 애플리케이션에서 메모리 크기를 명시적으로 할당하고 제어합니다. 따라서 메모리 사용량을 전적으로 맞춤 설정할 수 있지만 너무 적게 사용하면 그래픽의 전반적인 성능이 느려질 수 있습니다.