Linux-FrameBuffer双缓冲机制显示图像
1. 液晶屏的基本概念
- 像素：
屏幕上显示颜色的最小单位，英文叫 pixel。注意，位图（如jpg、bmp等格式的常见图片）也是由一个个的像素点构成的，跟屏幕的像素点的概念一样。原理上讲，将一张位图显示到屏幕上，就是将图片上的像素点一个个复制到屏幕像素点上。
- 分辨率：
- 宽、高两个维度上的像素点数目。
- 分辨率越高，所需要的显存越大。
- 色深：
- 每个像素所对应的内存字节数，一般有8位、16位、24位或32位
- GEC6818开发板的屏幕的色深是32位的
- 32位色深的屏幕一般被称为真彩屏，或1600万色屏。
色深决定了一个像素点所能表达的颜色的丰富程度，色深越大，色彩表现力越强。
2. 内存映射基本原理
虽然LCD设备本质上也可以看作是一个文件，在文件系统中有其对应的设备节点，可以像普通文件一样对其进行读写操作（read/write），但由于对字符设备的读写操作是以字节流的方式进行的，因此除非操作的图像尺寸刚好与屏幕尺寸完全一致，如下图所示，图片的宽高与LCD的宽高完全一致，否则将会画面会乱。
以下是一段直接写设备节点的“不好”的示例代码：
void bad_display()
{
// 打开LCD设备
int lcd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
// 从JPG图片中获取ARGB数据
char *argbbuf;
int argbsize;
argbsize = jpg2rgb("dogs.jpg", &argbbuf);
// 将RGB数据直接线性灌入LCD设备节点
write(lcd, argbbuf, argbsize);
// ...
}
像上述代码这样，直接将数据通过设备节点 /dev/fb0 写入的话，这些数据会自动地从LCD映射内存的入口处（对应LCD屏幕的左上角）开始呈现，并且会以线性的字节流形式逐个字节往后填充，除非图像尺寸与显示器刚好完全一致，否则显示是失败的。
一般而言，图像的尺寸大小是随机的，因此更方便的做法是为LCD做内存映射，将屏幕的每一个像素点跟映射内存一一对应，而映射内存可以是二维数组，因此就可以非常方便地通过操作二维数组中的任意元素，来操作屏幕中的任意像素点了。这里的映射内存，有时被称为显存。
如上图所示，将一块内存与LCD的像素一一对应：
- LCD上面显示的图像色彩，由其对应的内存的数据决定
- 映射内存的大小至少得等于LCD的真实尺寸大小
- 映射内存的大小可以大于LCD的真实尺寸，有利于优化动态画面（视频）体验
下面是屏幕显示为红色的示例代码：
#include 注意，上述代码存在诸多假设，比如屏幕的尺寸是800×480、屏幕色深是4个字节、每个像素内部的颜色分量是ARGB等等，这些信息都是“生搬硬凑”的，只能适用于某一款特定的LCD屏，如果屏幕的这些参数变了，上述代码就无法正常运行了，要想让程序在其他规格尺寸的屏幕下也能正常工作，就得让程序自动获取这些硬件参数信息。
3. 屏幕参数设定
首先明确，屏幕的硬件参数，都是由硬件驱动工程师，根据硬件数据手册和内核的相关规定，填入某个固定的地方的，然后再由应用开发工程师，使用特定的函数接口，将这些特定的信息读出来。
对于GEC6818开发板而言，上述所谓“某个固定的地方”，指的是如下这些重要的结构体（节选）：
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 */
...
...
};
struct fb_var_screeninfo
{
__u32 xres; /* 可见区宽度（单位：像素） */
__u32 yres; /* 可见区高度（单位：像素） */
__u32 xres_virtual; /* 虚拟区宽度（单位：像素） */
__u32 yres_virtual; /* 虚拟区高度（单位：像素） */
__u32 xoffset; /* 虚拟区到可见区x轴偏移量 */
__u32 yoffset; /* 虚拟区到可见区y轴偏移量 */
__u32 bits_per_pixel; /* 色深 */
// 像素内颜色结构
struct fb_bitfield red; // 红色
struct fb_bitfield green; // 绿色
struct fb_bitfield blue; // 蓝色
struct fb_bitfield transp;// 透明度
...
...
};
struct fb_bitfield
{
__u32 offset; /* 颜色在像素内偏移量 */
__u32 length; /* 颜色占用数位长度 */
...
...
};
上述结构体的具体定义在系统的如下路径中：
/usr/include/linux/fb.h
如上图所示，如果板卡已经具备LCD的驱动程序，那么应用程序就可以通过 ioctl() 来检索LCD的硬件参数信息。以粤嵌GEC6818开发板配套的群创AT070TN92-7英寸液晶显示屏为例，具体代码如下：
#include
「课堂练习1」
根据以上示例代码，采用自动获取屏幕硬件参数的方式，在开发板上轮流显示红绿蓝三原色。
4. 多缓冲机制
仔细观察上述显示单色的程序运行效果，会发现屏幕上的颜色不是一瞬间整体显示的，而是有一个很明显的从上到下刷屏的过程，这实际上是由于我们是一个个像素点从左到右，从上到下刷屏导致的，如果不是速度比较快，我们将会看到屏幕上的点是一个个亮起来的，而不是整屏统一更新，这显然不是最佳的体验。
解决这个问题，可以采用多缓冲的办法，首先要搞明白所谓可见区和虚拟区的关系：
- 可见区、虚拟区都是内存区域，可见区是虚拟区的一部分，因此可见区尺寸至少等于虚拟区。
- 一般而言，可见区尺寸就是屏幕尺寸，比如800×480；而虚拟区是显示设备能支持的显存大小，比如800×480、800×960等。
- 为了提高画面体验，一般先在不可见区操作显存数据，然后在调整可见区位置，使得图像“瞬间”呈现，避免闪屏。
下面以示例代码的形式，来分析如何使用多缓冲机制提高画面体验。
- 1. 设定虚拟区
#include 在开发板运行结果：
[root@GEC6818 ~]#./a.out
虚拟区显存大小为: 800×1440
申请显存成功
[root@GEC6818 ~]#
从上述执行结果来看，粤嵌GEC6818开发板配套的群创AT070TN92-7英寸液晶显示屏支持三倍与屏幕尺寸的虚拟显存的设定。当然，在实际设定的时候，不一定要三倍，也可以是两倍大小，比如800×960。
- 2. 显示A区，但在B区作画
为了方便讨论，假设设定两倍屏幕尺寸的虚拟区内存，上半部分为A区，下半部分为B区。如下图所示：
将A区设定为可见区，代码如下：
struct fb_var_screeninfo vinfo; // 显卡设备的可变属性结构体
ioctl(lcd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo); // 获取可变属性
// 获得当前显卡所支持的虚拟区显存大小
unsigned long width = vinfo.xres;
unsigned long height = vinfo.yres;
unsigned long bpp = vinfo.bits_per_pixel;
unsigned long screen_size = width * height * bpp/8;
// 申请一块两倍与屏幕的映射内存
char *p = mmap(NULL, 2 * screen_size,
PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_SHARED, lcd, 0);
// 将可见区设定为A区
vinfo.xoffset = 0;
vinfo.yoffset = 0;
ioctl(lcd, FBIOPAN_DISPLAY, &vinfo);
// 在B区绘图
int red = 0x00FF0000;
for(int i=0; i<width*height; i++)
memcpy(p+screen_size+i*4, &red, 4);
执行上述代码，会发现虽然在B区已经填充了某些图像数据，但是屏幕上没有出现任何反应。
- 3. 将可见区设定为B区，瞬间出现画面，避免了“闪屏”
为了方便讨论，假设设定两倍屏幕尺寸的虚拟区内存，上半部分为A区，下半部分为B区。如下图所示：
将B区设定为可见区，代码如下：
vinfo.xoffset = 0;
vinfo.yoffset = 480;
ioctl(lcd, FBIOPAN_DISPLAY, &vinfo);
容易想到，只要交替地改变可见区，使得填充数据的过程对用户不可见，等到数据填充完毕，再通过以上代码瞬间调整可见区区域，用户就能感受到画面流程呈现的体验，避免尴尬的闪屏。
下面是完整的使用“双缓冲”机制交替呈现红绿蓝的代码及演示效果图。
#include