Framebuffer应用编程

前言

LCD操作原理

涉及的 API 函数

open函数

ioctl 函数

mmap 函数

Framebuffer程序分析

源码

1.打开设备

2.获取LCD参数

3.映射Framebuffer

4.描点函数

5.随便画几个点

上机实验

前言

本文介绍LCD的操作原理和涉及到的API函数，分析Framebuffer部分代码，

LCD操作原理

在 Linux 系统中通过 Framebuffer 驱动程序来控制 LCD。Frame 是帧的意思，buffer 是缓冲的意思，这意味着 Framebuffer 就是一块内存，里面保存着一帧图像。Framebuffer 中保存着一帧图像的每一个像素的颜色值。Framebuffer的大小为：屏幕分辨率x每一个像素所占的字节数。

LCD操作流程如下：
$\bullet$ 驱动程序设置好 LCD 控制器（我并没有学习linux驱动，本文只介绍要用到的函数和分析 Framebuffer代码，注重应用编程，实在看不懂原理的会用就行，应用为王道）
$\bullet$ APP 使用 ioctl 获得 LCD 分辨率、BPP（每一个像素所占的位数）
$\bullet$ APP 通过 mmap 映射 Framebuffer，在 Framebuffer 中写入数据

（LCD操作原理图）

问：怎么知道内存中的哪个地址对应哪个元素呢？
假设需要设置 LCD 中坐标(x,y)处像素的颜色，首要要找到这个像素对应的内存，然后根据它的 BPP 值设置颜色。假设 fb_base 是 APP 执行 mmap 后得到的 Framebuffer 地址，如下图：

假设一个元素的左上角表示这个元素的地址，(x,y)坐标的元素前面有y行，在这一行的前面又有x个元素，我们不需要知道它是第几个元素，这样子会很混乱，我们只需要计算在它之前的所有元素占多大内存，那么计算出来的内存空间再加上 fb_base 就是(x,y)坐标元素的地址。

可以用以下公式算出(x,y)坐标处像素对应的 Framebuffer 地址：
(x，y)像素起始地址=fb_base+(xres*bpp/8)*y + x*bpp/8

最后一个要解决的问题就是像素的颜色怎么表示？
它是用 RGB 三原色(红、绿、蓝)来表示的，在不同的 BPP 格式中，用不同的位来分别表示 R、G、B。

对于 32BPP，一般只设置其中的低 24 位，高 8 位表示透明度，一般的 LCD 都不支持。
对于 16BPP，常用的是 RGB565；很少的场合会用到 RGB555，这可以通过 ioctl 读取驱动程序中的 RGB 位偏移来确定使用哪一种格式。

涉及的 API 函数

open函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

open函数之前用的很多了，这里就不过多介绍了，可以看我之前的博客Linux文件编程。

ioctl 函数

#include <sys/ioctl.h>int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

函数说明：
$\bullet$ fd 表示文件描述符
$\bullet$ request 表示与驱动程序交互的命令，用不同的命令控制驱动程序输出我们需要的数据
$\bullet$ … 表示可变参数 arg；根据 request 命令，设置驱动程序返回输出的数据
$\bullet$ 返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1
ioctl 的作用非常强大、灵活。不同的驱动程序内部会实现不同的 ioctl，APP 可以使用各种 ioctl 跟驱动程序交互：可以传数据给驱动程序，也可以从驱动程序中读出数据。

mmap 函数

#include <sys/mman.h>void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

mmap 函数的功能是将文件或其他对象映射到进程的内存地址空间。这使得程序可以通过内存操作直接访问文件内容，而无需使用传统的文件读写函数。其主要功能包括：
$\bullet$ 文件映射：将文件内容映射到内存，使得文件可以像数组一样进行读取和修改
$\bullet$ 共享内存：在多个进程之间共享数据，通过映射同一文件或匿名映射区域实现进程间通信
$\bullet$ 内存映射设备：映射设备文件到内存，以便进行高效的数据访问和操作

函数说明：
$\bullet$ addr 表示指定映射的內存起始地址，通常设为 NULL 表示让系统自动选定地址，并在成功映射后返回该地址
$\bullet$ length 表示将文件中多大的内容映射到内存中
$\bullet$ prot 表示映射区域的保护方式，可以为以下 4 种方式的组合
         $\circ$ PROT_EXEC 映射区域可被执行
         $\circ$ PROT_READ 映射区域可被读出
         $\circ$ PROT_WRITE 映射区域可被写入
         $\circ$ PROT_NONE 映射区域不能存取
$\bullet$ Flags 表示影响映射区域的不同特性，常用的有以下两种
         $\circ$ MAP_SHARED 表示对映射区域写入的数据会复制回文件内，原来的文件会改变
         $\circ$ MAP_PRIVATE 表示对映射区域的操作会产生一个映射文件的复制，对此区域的任何修改都不会写回原来的文件内容中
返回值：若成功映射，将返回指向映射的区域的指针，失败将返回-1

Framebuffer程序分析

源码

#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>static int fd_fb;
static struct fb_var_screeninfo var;	/* Current var */
static int screen_size;
static unsigned char *fb_base;
static unsigned int line_width;
static unsigned int pixel_width;/*********************************************************************** 函数名称： lcd_put_pixel* 功能描述： 在LCD指定位置上输出指定颜色（描点）* 输入参数： x坐标，y坐标，颜色* 输出参数： 无* 返 回 值： 会* 修改日期        版本号     修改人	      修改内容* -----------------------------------------------* 2020/05/12	     V1.0	  zh(angenao)	      创建***********************************************************************/ 
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
{unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;unsigned short *pen_16;	unsigned int *pen_32;	unsigned int red, green, blue;	pen_16 = (unsigned short *)pen_8;pen_32 = (unsigned int *)pen_8;switch (var.bits_per_pixel){case 8:{*pen_8 = color;break;}case 16:{/* 565 */red   = (color >> 16) & 0xff;green = (color >> 8) & 0xff;blue  = (color >> 0) & 0xff;color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);*pen_16 = color;break;}case 32:{*pen_32 = color;break;}default:{printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);break;}}
}int main(int argc, char **argv)
{int i;fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);if (fd_fb < 0){printf("can't open /dev/fb0\n");return -1;}if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var)){printf("can't get var\n");return -1;}line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);if (fb_base == (unsigned char *)-1){printf("can't mmap\n");return -1;}/* 清屏: 全部设为白色 */memset(fb_base, 0xff, screen_size);/* 随便设置出100个为红色 */for (i = 0; i < 100; i++)lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000);munmap(fb_base , screen_size);close(fd_fb);return 0;	
}

1.打开设备

首先打开设备节点：

fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
if (fd_fb < 0)
{printf("can't open /dev/fb0\n");return -1;
}

2.获取LCD参数

LCD 驱动程序给 APP 提供 2 类参数：可变的参数 fb_var_screeninfo、固定的参数 fb_fix_screeninfo。编写应用程序时主要关心可变参数，它的结构体定义如下(#include <linux/fb.h>)：

可以使用以下代码获取 fb_var_screeninfo：

static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
{printf("can't get var\n");return -1;
}

注意到 ioctl 里用的参数是：FBIOGET_VSCREENINFO，它表示 get var screeninfo，获得屏幕的可变信息；当然也可以使用 FBIOPUT_VSCREENINFO 来调整这些参数，但是很少用到。

对于固定的参数 fb_fix_screeninfo，在应用编程中很少用到。它的结构体定义如下：

可以使用 ioctl FBIOGET_FSCREENINFO 来读出这些信息，但是很少用到。（F表示fix，确定的，V表示var-variable 可变的）

3.映射Framebuffer

要映射一块内存，需要知道它的地址──这由驱动程序来设置，需要知道它的大小──这由应用程序决定。代码如下：

line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;
pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;
screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;
fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);if (fb_base == (unsigned char *)-1)
{printf("can't mmap\n");return -1;
}

第3行中，screen_size 是整个 Framebuffer 的大小；PROT_READ | PROT_WRITE 表示该区域可读、可写；MAP_SHARED 表示该区域是共享的，APP 写入数据时，会直达驱动程序，这个参数的更深刻理解可以参考后面驱动基础中讲到的 mmap 知识。（我的理解是将驱动程序所控制的硬件的真实地址映射（mmap）到文件里，linux一切皆文件，然后往地址写数据对硬件进行操作）

4.描点函数

能够在 LCD 上描绘指定像素后，就可以写字、画图，描点函数是基础。代码如下：

1    void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
2    {
3    	unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;
4    	unsigned short *pen_16;	
5    	unsigned int *pen_32;	
6
7    	unsigned int red, green, blue;	
8
9	    pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
10	    pen_32 = (unsigned int *)pen_8;
11
12	    switch (var.bits_per_pixel)
13      {
14	    	case 8:
15	    	{
16	    		*pen_8 = color;
17	    		break;
18	    	}
19	    	case 16:
20	    	{
21	    		/* 565 */
22	    		red   = (color >> 16) & 0xff;
23	    		green = (color >> 8) & 0xff;
24	    		blue  = (color >> 0) & 0xff;
25		    	color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
26		    	*pen_16 = color;
27	    		break;
28	    	}
29	    	case 32:
30	    	{
31	    		*pen_32 = color;
32	    		break;
33	    	}
34	    	default:
35	    	{
36	    		printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
37	    		break;
38	    	}
39       }
40    }

第 1 行中传入的 color 表示颜色，它的格式永远是 0x00RRGGBB，即 RGB888。当 LCD 是 16bpp 时，要把 color 变量中的 R、G、B 抽出来再合并成 RGB565 格式。

第 3 行计算(x,y)坐标上像素对应的 Framebuffer 地址。

第 16 行，对于 8bpp，color 就不再表示 RBG 三原色了，这涉及调色板的概念，color 是调色板的值。

第 22～24 行，先从 color 变量中把 R、G、B 抽出来。

第 25 行，把 red、green、blue 这三种 8 位颜色值，根据 RGB565 的格式，只保留 red 中的高 5 位、green 中的高 6 位、blue 中的高 5 位，组合成一个新的 16 位颜色值。

第 26 行，把新的 16 位颜色值写入 Framebuffer。

第 31 行，对于 32bpp，颜色格式跟 color 参数一致，可以直接写入Framebuffer。

5.随便画几个点

本程序的 main 函数，在最后只是简单地画了几个点：

/* 清屏: 全部设为白色 */
memset(fb_base, 0xff, screen_size);/* 随便设置出100个为红色 */
for (i = 0; i < 100; i++)lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000);

上机实验

板子用的是韦东山老师的imx6ull板，由于我的屏幕被烧坏了，这里就演示不了了。

在 Ubuntu 中编译程序，先设置交叉编译工具链，再执行以下命令：
arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o show_pixel show_pixel.c

交叉编译后在板子上就能运行应用程序了，正常会在屏幕中心显示一条红色的线。