Linux驱动开发（十二）---树莓派framebuffer学习（改造OLED）

前文回顾

《Linux驱动开发（一）—环境搭建与hello world》
《Linux驱动开发（二）—驱动与设备的分离设计》
《Linux驱动开发（三）—设备树》
《Linux驱动开发（四）—树莓派内核编译》
《Linux驱动开发（五）—树莓派设备树配合驱动开发》
《Linux驱动开发（六）—树莓派配合硬件进行字符驱动开发》
《Linux驱动开发（七）—树莓派按键驱动开发》
《Linux驱动开发（八）—树莓派SR04驱动开发》
《Linux驱动开发（九）—树莓派I2C设备驱动开发（BME280）》
《Linux驱动开发（十）—树莓派输入子系统学习（红外接收）》
《Linux驱动开发（十一）—树莓派SPI驱动学习（OLED）》

继续宣传一下韦老师的视频

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framebuffer介绍

framebuffer从字面上理解是“帧缓冲”，一般有如下理解：

• 单纯的把framebuffer看作一块内存，这部分内存包含了将要scan out显示的数据。
• 等价于framebuffer driver。通常作为LCD控制器或者其他显示设备的驱动，FrameBuffer驱动是一个字符设备，设备节点是/dev/fbX，主设备号为29，次设备号递增，用户可以将Framebuffer看成是显示内存的一个映像，将其映射到进程地址空间之后，就可以直接进行读写操作，而写操作可以立即反应在屏幕上。这种操作是抽象的，统一的。用户不必关心物理显存的位置、换页机制等等具体细节。这些都是由Framebuffer设备驱动来完成的。Framebuffer设备为上层应用程序提供系统调用，也为下一层的特定硬件驱动提供接口；那些底层硬件驱动需要用到这儿的接口来向系统内核注册它们自己。所以可以看成是一个graphic hardware-independent抽象层，上面对接应用层，下面对接LCD等硬件的驱动。
• 有一种说法是操纵lcd显示就是操纵framebuffer，表面上来看是这样的。实际上是frambuffer就是linux内核驱动申请的一片内存空间，然后lcd内有一片sram，cpu内部有个lcd控制器，它有个单独的dma用来将frambuffer中的数据拷贝到lcd的sram中去 拷贝到lcd的sram中的数据就会显示在lcd上，LCD驱动和framebuffer驱动没有必然的联系，它只是驱动LCD正常工作的，比如有信号传过来，那么LCD驱动负责把信号转成显示屏上的内容，至于什么内容这就是应用层要处理的。

我理解的就是它对应一个设备/dev/fbx，通过它就可以直接写屏幕。后面的操作不需要我们操心，系统自动完成。

OLED

其实我们的oled并不具备这种控制器，所以它没有提供显存的地址，这里用oled测试，也只是注册好fb之后，手动将fb的数据通过SPI驱动，更新到屏幕上去。

驱动中的核心步骤

其中最关键重点步骤，就是分配，设置，注册fb_info结构体

static int oled_probe(struct spi_device *spi)
{	
	
	printk("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	oled_dev = spi;

	/* 分配/设置/注册 fb_info */
	oled_fb_info = framebuffer_alloc(0, &spi->dev);


	/* 1.2 设置fb_info */
	/* a. var : LCD分辨率、颜色格式 */
	oled_fb_info->var.xres_virtual = oled_fb_info->var.xres = 128;//宽度
	oled_fb_info->var.yres_virtual = oled_fb_info->var.yres = 64;//高度
	
	oled_fb_info->var.bits_per_pixel = 1;  //1位表示一个像素
	
	/* b. fix */
	strcpy(oled_fb_info->fix.id, "pgg_oled");
	oled_fb_info->fix.smem_len = oled_fb_info->var.xres * oled_fb_info->var.yres * oled_fb_info->var.bits_per_pixel / 8;//显存占据的地址大小，要除以8变成字节数

	/* c. 分配显存 */
	oled_fb_info->screen_base = dma_alloc_wc(&spi->dev, oled_fb_info->fix.smem_len, &phy_addr_fb, GFP_KERNEL);
	oled_fb_info->fix.smem_start = phy_addr_fb;  /* fb的物理地址 */
	oled_fb_info->fix.smem_len = oled_fb_info->fix.smem_len;
	
	oled_fb_info->fix.type = FB_TYPE_PACKED_PIXELS;//表示像素类型
	oled_fb_info->fix.visual = FB_VISUAL_MONO10;//表示单色屏幕

	oled_fb_info->fix.line_length = oled_fb_info->var.xres * oled_fb_info->var.bits_per_pixel / 8;//每行的长度

	/* d. fbops */
	oled_fb_info->fbops = &myfb_ops;
	oled_fb_info->pseudo_palette = pseudo_palette;	

	register_framebuffer(oled_fb_info);

	/* spi oled init */
	oled_dc = gpiod_get(&spi->dev, "dc", GPIOD_OUT_HIGH);
	oled_rst = gpiod_get(&spi->dev, "rst", GPIOD_OUT_HIGH);

	data_buf = dma_alloc_wc(&spi->dev, oled_fb_info->fix.smem_len, &phy_addr_user, GFP_KERNEL);
	
	oled_hardware_init();

	OLED_DIsp_Clear();

	/* 创建1个内核线程,用来把Framebuffer的数据通过SPI控制器发送给OLED */
	oled_kthread = kthread_create(oled_thread, NULL, "pgg_oled_pd");
	wake_up_process(oled_kthread);
	
	return 0;
}

来详细说一下这个步骤

申请framebuffer

oled_fb_info = framebuffer_alloc(0, &spi->dev);

设置framebuffer的变量参数，这里根据实际屏幕的真实参数决定。oled是128*64像素，每个像素用1bit表示，只有亮和灭。

oled_fb_info->var.xres_virtual = oled_fb_info->var.xres = 128;//宽度
oled_fb_info->var.yres_virtual = oled_fb_info->var.yres = 64;//高度
oled_fb_info->var.bits_per_pixel = 1;  //1位表示一个像素

再设置固定参数

strcpy(oled_fb_info->fix.id, "pgg_oled");
oled_fb_info->fix.smem_len = oled_fb_info->var.xres * oled_fb_info->var.yres * oled_fb_info->var.bits_per_pixel / 8;//显存占据的地址大小，要除以8变成字节数

分配实际的内存地址

oled_fb_info->screen_base = dma_alloc_wc(&spi->dev, oled_fb_info->fix.smem_len, &phy_addr_fb, GFP_KERNEL);
oled_fb_info->fix.smem_start = phy_addr;  /* fb的物理地址 */
oled_fb_info->fix.smem_len = oled_fb_info->fix.smem_len;

这里注意配置屏幕类型，并且每行的字节数，还是需要除以8，这个和oled的屏幕内存并不一样，oled是竖着存放一个字节表示第一列的8个bit。所以后面刷屏的时候，还有一个变化。

oled_fb_info->fix.type = FB_TYPE_PACKED_PIXELS;//表示像素类型
oled_fb_info->fix.visual = FB_VISUAL_MONO10;//表示单色屏幕
oled_fb_info->fix.line_length = oled_fb_info->var.xres * oled_fb_info->var.bits_per_pixel / 8;//每行的长度

这里注册几个操作函数，是必须要有的，还有后面的调色板。

oled_fb_info->fbops = &myfb_ops;
oled_fb_info->pseudo_palette = pseudo_palette;	

最后注册framebuffer

register_framebuffer(oled_fb_info);

卸载函数，内部需要释放一些内存，然后注销framebuffer。

static int oled_remove(struct spi_device *spi)
{
	printk("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	kthread_stop(oled_kthread);

	dma_free_wc(&spi->dev,oled_fb_info->fix.smem_len,oled_fb_info->screen_base,phy_addr_fb);
	dma_free_wc(&spi->dev,oled_fb_info->fix.smem_len,data_buf,phy_addr_user);
	/* 反注册 fb_info */
	unregister_framebuffer(oled_fb_info);

	gpiod_put(oled_dc);
	gpiod_put(oled_rst);
	return 0;
}

这个framebuffer目前来说还和硬件没有任何关系。我们只是申请到了一块显存。

然后就需要把显存中的数据，通过spi方式，不断的刷新到oled显示屏中

static int get_pixel(int x, int y)
{
	unsigned char byte = *(oled_fb_info->screen_base + y*oled_fb_info->fix.line_length + (x>>3));
	int bit = x & 0x7;
	if (byte & (1<< bit))
		return 1;
	else 
		return 0;
}

static void convert_fb_to_oled(void)
{
	unsigned char data;
	int i = 0;
	int x, page;
	int bit;

	for (page = 0; page < 8; page++)
	{
		for (x = 0; x < 128; x++)
		{
			data = 0;
			for (bit = 0; bit < 8; bit++)
			{
				data |= (get_pixel(x, page*8 + bit) << bit);
			}
			data_buf[i++] = data;
		}		
	}
	
	
}

static int oled_thread(void *data)
{
    unsigned char y;
	while (1)
	{
		/* 把Framebuffer的数据刷到OLED上去 */
		convert_fb_to_oled();
		for (y = 0; y < 8; y++)
		{
			OLED_DIsp_Set_Pos(0, y);
			oled_write_datas(&data_buf[y*128], 128);
		}
		
		set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
		schedule_timeout(HZ);

		if (kthread_should_stop()) {
			set_current_state(TASK_RUNNING);
			break;
		}
		
	}
	return 0;
}

用户侧程序

用户侧程序参考的是韦老师的代码，用来显示一个字符A，需要理解的就是mmap函数的用法。
mmap函数是一个比较神奇的函数，它可以把文件映射到进程的虚拟内存空间。通过对这段内存的读取和修改，可以实现对文件的读取和修改，而不需要用read和write函数。

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

在这个函数原型中：

参数addr：指定映射的起始地址，通常设为NULL，由内核来分配 参数length：代表将文件中映射到内存的部分的长度。
参数prot：映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合： PROT_EXEC 映射区域可被执行 PROT_READ 映射区域可被读取
PROT_WRITE 映射区域可被写入 PROT_NONE 映射区域不能存取 参数flags：映射区的特性标志位，常用的两个选项是：
MAP_SHARD：写入映射区的数据会复制回文件，且运行其他映射文件的进程共享
MAP_PRIVATE：对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制，对此区域的修改不会写会原文件
参数fd：要映射到内存中的文件描述符，有open函数打开文件时返回的值。
参数offset：文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是分页大小的整数倍。
函数返回值：实际分配的内存的起始地址。

在用户侧操作Framebuffer的使用步骤

1. 打开设备文件 /dev/fbx
2. 获取当前设备信息
3. mmap做映射
4. 填充framebuffer
   

问题

韦老师的代码中

这个参数为空了，好像会导致申请失败，这里的视频尚未完结，这个bug可能还没解决。

遗留问题

这个模块的卸载，目前还有问题。
另外，内核会有一个告警信息

不过没有影响使用，不知道是不是问题。
这两个问题后续继续解决。

效果

这里的代码只是写了一个字符A的显示。

代码下载
《传送门》

结束语

今天更新完就学习完了韦老师的视频，驱动知识刚刚入门。后续的学习不能停止，继续搜罗资料，进行进一步的学习，丰富种类，学习块设备，网络设备的驱动。

昨天看了魔女2，动作场面还是挺过瘾，但是就是情节不是很清楚，可能是翻译的不太准确罢了。新的女主也挺好看，旧的女主也出来了一面，不过不如1中可爱了。电影看完就忘了，只记得里面令人尴尬的中国话。

今天看《汉江怪物》，肯定差不了。