[Embedded] Multithread Programming (멀티스레드 프로그래밍) - 3

Multithread Programming의 사용 예를 살펴보자. 디스플레이 디바이스 드라이버는 운영 체제나 애플리케이션에서 디스프레이 하드웨어 (예: 모니터 또는 스크린)로 그래픽 데이터를 전송하는 방법을 관리한다. 이러한 드라이버는 프레임 렌더링, 사용자 입력 처리, 하드웨어 인터럽트 관리 등 여러 작업을 동시에 처리해야 한다.

아래는 디스플레이 디바이스 드라이버에서 멀티스레딩이 일반적으료 사용되는 주요 영역이다. 이러한 모든 경우에 Multithread Programming은 디스플레이 렌더링, 사용자 입력 및 하드웨어 통신과 관련된 다양한 작업을 동시에 처리하여 성능과 응답성을 향상시키는 데 도움이 된다. 이러한 시스템에서는 여러 스레드가 프레임 버퍼와 같은 공유 리소스에 조정된 방식으로 액세스해 갱쟁 조건이나 일관되지 않은 디스플레이 출력을 피해야 하므로 동기화가 매우 중요하다.

 

1. Frame Buffer Management
   : 디스플레이 드라이버는 표시해야 하는 픽셀 데이터를 저장하는 프레임 버퍼를 관리한다. 멀티스레딩을 사용하면 다른 작업과 병렬로 프레임 버퍼를 업데이트할 수 있다. 예를 들어
   * Thread 1
   : 새 프레임 렌더링(버퍼에 픽셀 그리기) 처리
   * Thread 2
   : 버퍼에서 현재 프레임을 표시하기 위해 GPU 또는 하드웨어와의 통신 관리
   * Thead 3
   : 프레임 버퍼의 사용 방식에 영향을 미치는 사용자 입력(예: 화면 해상도 변경) 처리
   

   // Thread for updating the frame buffer
   void FrameBufferUpdateThread() {
       while (true) {
           lock(buffer_mutex);
           update_frame_buffer();  // Render new content
           unlock(buffer_mutex);
           sleep(16); // Simulate 60 FPS (16ms delay)
       }
   }
   
   // Thread for refreshing the display from the frame buffer
   void DisplayRefreshThread() {
       while (true) {
           lock(buffer_mutex);
           refresh_display_from_frame_buffer();  // Send buffer content to the screen
           unlock(buffer_mutex);
           sleep(16); // Sync with the display refresh rate
       }
   }

   
   
   
2. V-Sync (Vertical Sync) Handling
   : V-Sync는 프레임 렌더링 속도를 디스플레이의 재생률(refresh rate)와 일치시켜 screen tearing(화면 찢어짐)을 방지하는 동기화 기술이다. 디스플레이 드라이버에는 하드웨어에서 V-Sync 인터럽트를 처리하는 별도의 스레드가 있을 수 있다. 이를 통해 드라이버는 출력 프레임을 디스플레이의 refersh rate와 동기화할 수 있다.
   * Thread 1
   : 다음 프레임 렌더링 처리
   * Thread 2
   : V-Sync 인터럽트를 기다렸다가 렌더링 스레드에서 새 프레임 그리기를 시작하라는 신호 전송
   

   // Thread for rendering frames
   void RenderThread() {
       while (true) {
           wait_for_vsync_signal();  // Wait for the V-Sync signal from hardware
           render_new_frame();       // Render a new frame
       }
   }
   
   // Thread for V-Sync signal handling
   void VSyncHandlerThread() {
       while (true) {
           vsync_interrupt_wait();   // Wait for hardware V-Sync interrupt
           signal_render_thread();   // Signal the render thread to start rendering
       }
   }

   
   
   
3. Interrupt Handling for Display Events
   : 디스플레이 드라이버는 디스플레이가 프레임 그리기를 완료할 때(frame completion) 또는 사용자가 디스플레이 모드를 변경할 때(해상도 변경)와 같은 하드웨어 인터럽트를 처리해야 한다. 인터럽트 처리는 시스템 응답성을 유지하기 위해 별도의 스레드에서 수행되는 경우가 많다.
   * Thread 1
   : 프레임 완료 인터럽트를 처리해 다음 프레임의 렌더링을 트리거
   * Thread 2
   : 해상도 변경 또는 사용자 입력 이벤트를 처리
   

   // Thread for handling display interrupts
   void DisplayInterruptThread() {
       while (true) {
           if (check_frame_completion_interrupt()) {
               handle_frame_completion();  // Process frame completion
               signal_render_new_frame();  // Signal rendering of the next frame
           }
           if (check_resolution_change_interrupt()) {
               handle_resolution_change();  // Adjust frame buffer for new resolution
           }
       }
   }

   
   
   
4. Ultiple Rendering Pipelines (Multi-GPU)
   : 일부 고성능 디스플레이 시스템 (예: 게임, VR 또는 다중 모니터 설정)에서는 멀티스레딩을 사용해 여러 렌더링 파이프라인을 병렬로 관리한다. 각 렌더링 파이프라인을 다른 스레드로 관리해 전체 처리량을 개선하고 지연 시간을 줄일 수 있다.
   * Thread 1
   : 화면의 왼쪽을 렌더링
   * Thread 2
   : 화면의 오른쪽을 렌더링
   * Thread 3
   : 디스플레이 하드웨어와 통신을 처리
   

   // Thread for rendering left side of the display
   void LeftDisplayRenderThread() {
       while (true) {
           lock(left_frame_mutex);
           render_left_frame();  // Render left side of the display
           unlock(left_frame_mutex);
       }
   }
   
   // Thread for rendering right side of the display
   void RightDisplayRenderThread() {
       while (true) {
           lock(right_frame_mutex);
           render_right_frame();  // Render right side of the display
           unlock(right_frame_mutex);
       }
   }
   
   // Thread for sending the final frame to the display hardware
   void DisplayOutputThread() {
       while (true) {
           lock(left_frame_mutex);
           lock(right_frame_mutex);
           send_frame_to_display();  // Send both left and right frames to display
           unlock(left_frame_mutex);
           unlock(right_frame_mutex);
       }
   }

   
   
   
5. Handling Display Power Management
   : 최신 디스플레이에는 시스템에서 트리거할 수 있는 절전 모드(예: 절전 또는 대기)가 있다. 디스플레이 드라이버는 이러한 전원 관리 작업을 처리하기 위해 전용 스레드를 사용해 렌더링 또는 입력 스레드에 영향을 주지 않고 필요에 따라 디스플레이 하드웨어의 전원을 끄거나 깨우도록 할 수 있다.
   * Thread 1
   : 디스플레이의 전원 상태를 관리
   * Thread 2
   : 사용자 입력 또는 렌더링 작업을 계속 처리
   

   // Thread for managing display power state
   void DisplayPowerManagementThread() {
       while (true) {
           if (system_in_idle_mode()) {
               put_display_in_sleep();  // Enter power-saving mode
           } else if (user_input_detected()) {
               wake_display_from_sleep();  // Wake display on user input
           }
           sleep(1000);  // Check every second
       }
   }