Linux应用开发基础知识——Framebuffer 应用编程（四）

前言：

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颜色值，假设 LCD 的分辨率是 1024x768，每一个像素的颜色用 32 位来表示，那么 Framebuffer 的大小就是：1024x768x32/8=3145728 字节。

一、LCD 操作原理

二、涉及的 API 函数

1.open 函数

2.ioctl 函数

3.mmap 函数

三、Framebuffer 程序分析

1.Framebuffer源码如下：

2. 打开设备：

3.获取 LCD 参数

4.映射 Framebuffer

5.描点函数

6.随便画几个点

四、上机实验测试

一、LCD 操作原理

1.驱动程序设置好 LCD 控制器：

根据 LCD 的参数设置 LCD 控制器的时序、信号极性；

根据 LCD 分辨率、BPP 分配 Framebuffer。

2.APP 使用 ioctl 获得 LCD 分辨率、BPP

3.APP 通过 mmap 映射 Framebuffer，在 Framebuffer 中写入数据

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，如图

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 24BPP，硬件上为了方便处理，在 Framebuffer 中也是用 32 位来表示，效果跟 32BPP 是一样的。

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。

二、涉及的 API 函数

目的是：打开 LCD 设备节点，获取分辨率等参数，映射 Framebuffer，最后实现描点函数。

1.open 函数

在 Ubuntu 中执行“man 2 open”，可以看到 open 函数的说明：

头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

函数原型：

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

函数说明：

1.pathname 表示打开文件的路径；

2.Flags 表示打开文件的方式，常用的有以下 6 种，

        ◼ O_RDWR 表示可读可写方式打开;

        ◼ O_RDONLY 表示只读方式打开;

        ◼ O_WRONLY 表示只写方式打开;

        ◼ O_APPEND 表示如果这个文件中本来是有内容的，则新写入的内容会接续到原来内容的后面;

        ◼ O_TRUNC 表示如果这个文件中本来是有内容的，则原来的内容会被丢弃，截断；         ◼ O_CREAT 表示当前打开文件不存在，我们创建它并打开它，通常与 O_EXCL 结合使用，当没有文件时创建文件，有这个文件时会报错提醒我们；

3.Mode 表示创建文件的权限，只有在 flags 中使用了 O_CREAT 时才有效，否则忽略。

4.返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。

2.ioctl 函数

在 Ubuntu 中执行“man ioctl”，可以看到 ioctl 函数的说明：

头文件：

#include <sys/ioctl.h>

函数原型：

int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

1. fd 表示文件描述符；

2. 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； 3. … 表示可变参数 arg，根据 request 命令，设备驱动程序返回输出的数据。

4.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。

3.mmap 函数

在 Ubuntu 中执行“man mmap”，可以看到 mmap 函数的说明：

头文件：

#include <sys/mman.h>

函数原型：

 void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

1.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；

2.length 表示将文件中多大的内容映射到内存中；

3.prot 表示映射区域的保护方式，可以为以下 4 种方式的组合

        ◼ PROT_EXEC 映射区域可被执行

        ◼ PROT_READ 映射区域可被读出

        ◼ PROT_WRITE 映射区域可被写入

        ◼ PROT_NONE 映射区域不能存取 Flags 表示影响映射区域的不同特性，常用的有以下两种

        ◼ 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。         ◼ 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。

5.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。

三、Framebuffer 程序分析

1.Framebuffer源码如下：


/**********************************************************************
 * 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
 ***********************************************************************/
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;
}

2. 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;
 }

3.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/fd.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 screen info，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。

4.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;
}

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。

5.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：


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;
                }
        }
}

1.void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)

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。

2.unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;

计算(x,y)坐标上像素对应的 Framebuffer 地址。

3.*pen_8 = color;

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 49～51 行，先从 color 变量中把 R、G、B 抽出来。

4. red = (color >> 16) & 0xff;

green = (color >> 8) & 0xff;

blue = (color >> 0) & 0xff;

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。

5.color = ((red >> 3) > 2) > 3);

把新的 16 位颜色值写入 Framebuffer。

6.*pen_32 = color;

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

6.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);

四、上机实验测试

在 Ubuntu 中编译程序，先设置交叉编译工具链，再执行以下命令：

book@100ask:~/source/07_framebuffer$ arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o show_pixel show_pixel.c
book@100ask:~/source/07_framebuffer$ cp show_pixel ~/nfs_rootfs/

在开发板上挂载网络文件系统

运行程序

[root@100ask:~]#  mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs /mnt
[root@100ask:~]# /mnt/show_pixel

运行效果：