MicroXwin : 針對嵌入式系統的高效能 X Window System 實作

新創公司 DSPSOFT INC 日前提出針對嵌入式系統的高效能 X Window System 實作，即 []， 由該公司創辦人兼 CEO，Vasant Kanchan，領導嶄新途徑的開發與產品化。MicroXwin 的思維乃是著眼於拜自由軟體蓬勃發展所賜，豐富的 X 應用程式有如過江之鯽，但，在有限硬體能力的嵌入式環境中，是否有機會獲得良好的呈現與使用者互動能力呢？為此，MicroXwin 用獨特的方式改良 X 的設計。

X Window System 本質上是圍繞於網路通訊的視窗系統，X server 透過硬體，負責將 X client 要求的繪圖動作，予以呈現並處理運作所需的 I/O，而 X protocol 就是如此設計的核心。X 應用程式就是 X client，為了開發豐富的應用程式，會有 Gtk+ 與 Qt 一類的 Toolkit / widget set，下圖是運作示意圖：

在沒有特殊硬體加速機制 (如 DRI 與 GLX/OpenGL) 的前提，以下因素導致原本 X Window System 效能低落並佔用系統資源：

• 基於 X protocol 的規範，X client 與 X server 各自保有 buffer 與格式化的繪圖指令操作
• X client 與 X server 間的必要的同步化通訊與 round-trip
• 對於 ARM 9 一類廣泛使用的嵌入式處理器架構，系統設計有 MMU/cache 本該能提昇的處理效能與彈性，但頻繁地在 X 應用程式與 X server 間作 context switch，導致 cache flush，致使效能大打折扣

是此，MicroXwin 提出新的途徑，在不更動既有 X client / Toolkit 的前提下，將 X serever 的工作搬移到底層作業系統，成為一個新的服務，並且，捨棄 X protocol 與網路通透性的機制，成為修正性、典型的繪圖系統，以下是示意圖：

由上圖，我們可見到若干元件：

• X11.ko kernel module : 實做部份 X server 的功能，並開放 /dev/x11dev 的介面給 X client library 存取
• libX11.so 保持與原本 Xlib 二進位相容的 API
• libXext.so 等 X extension library 則實做 X extension 所需的呼叫，但針對 /dev/x11devb 介面，而非網路通訊的 X protocol
• X core font 由 X11.ko kernel 處理，免除繁複的記憶體操作
• 針對向量字體，則由 X client 端，透過 Xft/Fontconfig 處理，但更直接的呈現

如此嶄新的設計有著以下優點：

• Low latency 與 Low round trip
• 大幅減少 X request / response 所需的 buffering，免去昂貴的通訊成本
• 消去 context switch 的負擔，並避免 ARM 9 一類嵌入式硬體的 cache flush 問題
• 透過 X11.ko kernel module，圖形資料是直接由 userspace 複製到 framebuffer 硬體
• (幾乎) 不需更動到任何既有 X 應用程式

現在 libX11 與 libXext 等 userspace library 依據 BSD style license 發佈，也提供針對 x86, ARM, MIPS 等硬體架構的 kernel module，就官方的說法，MicroXwin 在空間與記憶體需求量，均大幅低於 Xorg server，以 x86 架構為例，個別軟體元件的空間需求如下：

• libX11.so : 720K bytes
• libXext.so : 7K bytes
• Kernel module x11.ko : 200K bytes

相較而下，Xorg X server 佔用了 1.8M bytes 的空間。而針對 ARM 9 硬體，以 Nokia 770 Linux Tablet 為主要效能評比的對象，OpenHanded (已被 Intel 收購) 與 Nokia 的工程團隊已做了若干效能改進，提出 Xomap，這個奠基於 KDrive / TinyX 架構、針對 TI OMAP 硬體加速的 X server，MicroXwin 與其相較，絲毫不遜色，而且有亮眼的效能突破。網頁 [] 透過 x11perf 羅列了效能評比數據，筆者做了圖表整理如下：

由此可見，MicroXwin 相較於 Xorg X server，在 asynchronous display 有著 62% 的效能提昇，而在 synchronous display of images 則有 384% 的提昇，這是主要架構變異使然，官方也提供若干組態與執行檔供驗證評估。整體來說，MicroXwin 的設計特點：

• 快速的 round-trip 與 synchronus request 時間
• 讓 UI Toolkit 得以有更快更順暢的表現
• Kernel module x11.ko 有著較 Xorg server 更高的處理優先權