Linux 下framebuffer 帧缓冲的使用

framebuffer 帧缓冲

帧缓冲(framebuffer)是Linux 系统为显示设备提供的一个接口,它将显示缓冲区抽象,屏蔽图像硬件的底层差异,允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写操作。用户不必关心物理显示缓冲区的具体位置及存放方式,这些都由帧缓冲设备驱动本身来完成。
    framebuffer机制模仿显卡的功能,将显卡硬件结构抽象为一系列的数据结构,可以通过framebuffer的读写直接对显存进行操作。用户可以将framebuffer看成是显存的一个映像,将其映射到进程空间后,就可以直接进行读写操作,写操作会直接反映在屏幕上。

帧缓冲设备为标准的字符型设备,在Linux中主设备号29,定义在/include/linux/major.h中的FB_MAJOR,次设备号定义帧缓冲的个数,最大允许有32个FrameBuffer,定义在/include/linux/fb.h中的FB_MAX,对应于文件系统下/dev/fb%d设备文件,使用如下方式(前面的数字表示次设备号):
      0 = /dev/fb0 第一个fb 设备
      1 = /dev/fb1 第二个fb 设备

fb 也是一种普通的内存设备,可以像内存设备(/dev/mem)一样,对其read,write,seek 以及mmap。但区别在于fb 使用的不是整个内存区,而是显存部分。

典型的显示机制如图所示:

fb与应用程序的交互 

对于用户程序而言,它和其他的设备并没有什么区别,用户可以把fb看成是一块内存,既可以向内存中写数据,也可以读数据。fb的显示缓冲区位于内核空间,应用程序可以把此空间映射到自己的用户空间,在进行操作。

(1)    在应用程序中,操作/dev/fbn的一般步骤如下:
打开/dev/fbn设备文件。

(2)    用ioctl()操作取得当前显示屏幕的参数,如屏幕分辨率、每个像素点的比特数。根据屏幕参数可计算屏幕缓冲区的大小。

(3)    用mmap()函数,将屏幕缓冲区映射到用户空间。

(4)    映射后就可以直接读/写屏幕缓冲区,进行绘图和图片显示了。

(5)    使用完帧缓冲设备后需要将其释放。

(6)    关闭文件。

 

fb的控制

ioctl来用各种命令控制fb,控制的实现都定义在<linux/fb.h>中。这个头文件是内核源码中的,由于交叉编译器中将其包含了,所以我们可以在应用层直接调用。

<linux/fb.h>,里面定义了一些ioctl的命令

/* ioctls

   0x46 is 'F'                              */

#define FBIOGET_VSCREENINFO 0x4600

#define FBIOPUT_VSCREENINFO 0x4601

#define FBIOGET_FSCREENINFO 0x4602

#define FBIOGETCMAP     0x4604

#define FBIOPUTCMAP     0x4605

#define FBIOPAN_DISPLAY     0x4606

我们主要使用FBIOGET_VSCREENINFO和FBIOGET_FSCREENINFO 命令。从字面意思我们不难看出,这两个命令的意思分别为

fb’s ioctl, to get variable screen info:获取应用程序可改变的参数(如设定的分辨率)

fb’s ioctl, to get fixed screen info:获取固定的参数(如屏幕的分辨率,一般只是拿来看看)

<linux/fb.h>中还提供了专门的结构体类型,用来存放上述两个参数。

存放可变参数的结构体类型:struct fb_var_screeninfo,其详细定义参照“相关结构体”部分。

比较重要的可变参数有:

xres、yres:可视画面的x、y轴分辨率(应用层改不了)

xres_virtual、yres_virtual:虚拟画面(即fb)x、y轴分辨率

xoffset、yoffset:可视画面相对于虚拟画面的x、y轴偏移量

bits_per_pixel:像素深度

虚拟画面一般会被默认设为(不一定的)可视画面的两倍,这种结构被称之为“双缓冲机制”,这样做的好处是可以一边显示,一边缓冲下一幅画面 。

 

相关结构体

相关结构体及其关系为:

 

fb_var_screeninfo

这个结构描述了显示卡的特性。

struct fb_var_screeninfo
{
    __u32 xres; /* visible resolution */
    __u32 yres;
    __u32 xres_virtual; /* virtual resolution */
    __u32 yres_virtual;
    __u32 xoffset; /* offset from virtual to visible resolution */
    __u32 yoffset;
    __u32 bits_per_pixel; /* guess what */
    __u32 grayscale; /* != 0 Gray levels instead of colors */
    struct fb_bitfield red; /* bitfield in fb mem if true color, */
    struct fb_bitfield green; /* else only length is significant */
    struct fb_bitfield blue;
    struct fb_bitfield transp; /* transparency */
    __u32 nonstd; /* != 0 Non standard pixel format */
    __u32 activate; /* see FB_ACTIVATE_* */
    __u32 height; /* height of picture in mm */
    __u32 width; /* width of picture in mm */
    __u32 accel_flags; /* acceleration flags (hints) */
    /* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */
    __u32 pixclock; /* pixel clock in ps (pico seconds) */
    __u32 left_margin; /* time from sync to picture */
    __u32 right_margin; /* time from picture to sync */
    __u32 upper_margin; /* time from sync to picture */
    __u32 lower_margin;
    __u32 hsync_len; /* length of horizontal sync */
    __u32 vsync_len; /* length of vertical sync */
    __u32 sync; /* see FB_SYNC_* */
    __u32 vmode; /* see FB_VMODE_* */
    __u32 reserved[6]; /* Reserved for future compatibility */
};

fb_fix_screeninfon

这个结构在显卡被设定模式后创建,它描述显示卡的属性,并且系统运行时不能被修改;比如FrameBuffer内存的起始地址。它依赖于被设定的模式,当一个模 式被设定后,内存信息由显示卡硬件给出,内存的位置等信息就不可以修改。

struct fb_fix_screeninfo {
    char id[16]; /* identification string eg "TT Builtin" */
    unsigned long smem_start; /* Start of frame buffer mem */
    /* (physical address) */
    __u32 smem_len; /* Length of frame buffer mem */
    __u32 type; /* see FB_TYPE_* */
    __u32 type_aux; /* Interleave for interleaved Planes */
    __u32 visual; /* see FB_VISUAL_* */
    __u16 xpanstep; /* zero if no hardware panning */
    __u16 ypanstep; /* zero if no hardware panning */
    __u16 ywrapstep; /* zero if no hardware ywrap */
    __u32 line_length; /* length of a line in bytes */
    unsigned long mmio_start; /* Start of Memory Mapped I/O */
    /* (physical address) */
    __u32 mmio_len; /* Length of Memory Mapped I/O */
    __u32 accel; /* Type of acceleration available */
    __u16 reserved[3]; /* Reserved for future compatibility */
};

fb_ops

用户应用可以使用ioctl()系统调用来操作设备,这个结构就是用以支持ioctl()的这些操作的。

struct fb_ops { 
/* open/release and usage marking */ 
struct module *owner; 
int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user); 
int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user); 
/* get non settable parameters */ 
int (*fb_get_fix)(struct fb_fix_screeninfo *fix, int con, 
struct fb_info *info); 
/* get settable parameters */ 
int (*fb_get_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con, 
struct fb_info *info); 
/* set settable parameters */ 
int (*fb_set_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con, 
struct fb_info *info); 
/* get colormap */ 
int (*fb_get_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, 
struct fb_info *info); 
/* set colormap */ 
int (*fb_set_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, 
struct fb_info *info); 
/* pan display (optional) */ 
int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, int con, 
struct fb_info *info); 
/* perform fb specific ioctl (optional) */ 
int (*fb_ioctl)(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, 
unsigned long arg, int con, struct fb_info *info); 
/* perform fb specific mmap */ 
int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct file *file, struct 
vm_area_struct *vma); 
/* switch to/from raster image mode */ 
int (*fb_rasterimg)(struct fb_info *info, int start); 
};

fb_cmap

描述设备无关的颜色映射信息。可以通过FBIOGETCMAP 和 FBIOPUTCMAP 对应的ioctl操作设定或获取颜色映射信息。

struct fb_cmap { 
__u32 start; /* First entry */ 
__u32 len; /* Number of entries */ 
__u16 *red; /* Red values */ 
__u16 *green; 
__u16 *blue; 
__u16 *transp; /* transparency, can be NULL */ 
};

fb_info

定义当显卡的当前状态;fb_info结构仅在内核中可见,在这个结构中有一个fb_ops指针,指向驱动设备工作所需的函数集。

struct fb_info { 
char modename[40]; /* default video mode */ 
kdev_t node; 
int flags; 
int open; /* Has this been open already ? */ 
#define FBINFO_FLAG_MODULE 1 /* Low-level driver is a module */ 
struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */ 
struct fb_fix_screeninfo fix; /* Current fix */ 
struct fb_monspecs monspecs; /* Current Monitor specs */ 
struct fb_cmap cmap; /* Current cmap */ 
struct fb_ops *fbops; 
char *screen_base; /* Virtual address */ 
struct display *disp; /* initial display variable */ 
struct vc_data *display_fg; /* Console visible on this display */ 
char fontname[40]; /* default font name */ 
devfs_handle_t devfs_handle; /* Devfs handle for new name */ 
devfs_handle_t devfs_lhandle; /* Devfs handle for compat. symlink */ 
int (*changevar)(int); /* tell console var has changed */ 
int (*switch_con)(int, struct fb_info*); 
/* tell fb to switch consoles */ 
int (*updatevar)(int, struct fb_info*); 
/* tell fb to update the vars */ 
void (*blank)(int, struct fb_info*); /* tell fb to (un)blank the screen */ 
/* arg = 0: unblank */ 
/* arg > 0: VESA level (arg-1) */ 
void *pseudo_palette; /* Fake palette of 16 colors and 
the cursor's color for non 
palette mode */ 
/* From here on everything is device dependent */ 
void *par; 
};

使用实例

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define FBDEVICE "/dev/fb0"
void draw_back(unsigned int *pfb, unsigned int width, unsigned int height, unsigned int color);

void draw_line(unsigned int *pfb, unsigned int width, unsigned int height);

int main(void)
{
    int fd = -1;
    int ret = -1;
    unsigned int *pfb = NULL;
    struct fb_fix_screeninfo finfo;
    struct fb_var_screeninfo vinfo;

    fd = open(FBDEVICE, O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }
    printf("open %s success \n", FBDEVICE);

   
    ret = ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);
    if (ret < 0)
    {
        perror("ioctl");
        return -1;
    }

    ret = ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);
    if (ret < 0)
    {
        perror("ioctl");
        return -1;
    }
    
    pfb = (unsigned int *)mmap(NULL, finfo.smem_len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (NULL == pfb)
    {
        perror("mmap");
        return -1;
    }
    printf("pfb :0x%x \n", *pfb);

    draw_back(pfb, vinfo.xres_virtual, vinfo.yres_virtual, 0xffff0000);
    draw_line(pfb, vinfo.xres_virtual, vinfo.yres_virtual);

    close(fd);
    return 0;
}


void draw_back(unsigned int *pfb, unsigned int width, unsigned int height, unsigned int color)
{
    unsigned int x, y;
    for (y = 0; y < height; y++)
    {
        for (x = 0; x < width; x++)
        {
            *(pfb + y * width + x) = color;
        }
    }
}

void draw_line(unsigned int *pfb, unsigned int width, unsigned int height)
{
    unsigned int x, y;
    for (x = 50; x < width - 50; x++)
    {
        *(pfb + 50 * width + x) = 0xffffff00;
    }
    for (y = 50; y < height -50; y++)
    {
        *(pfb + y * width + 50) = 0xffffff00;
    }
}

 

posted @ 2017-12-15 15:32 小贱6 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏