Framebuffer应用开发

Framebuffer应用开发

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LCD Framebuffer操作原理

LCD Framebuffer 就是一块显存，在嵌入式系统中，显存是被包含在内存中。LCD Framebuffer里的若干字节（根据驱动程序对LCD控制器的配置而定）表示LCD屏幕中的一个像素点，一一对应整个LCD屏幕。举个例子，LCD屏幕是800*600的分辨率，即LCD屏幕存在480000个像素点，若每个像素点4个字节表示，那么LCD Framebuffer显存大小为480000 *4=960000字节，即1.92MB。因此我们的内存将会分割至少1.92MB的空间用作显存。具体地址在哪里，这个就是又驱动程序去定，应用程序只需直接使用即可，硬件相关操作已由驱动程序封装好。

如上图，我们只需要往Framebuffer中填入不同的值，驱动程序和硬件控制器就会把这些数据传输到对应LCD屏幕上的像素点，从而显示不同的颜色。由此可知，我们应用程序只需要针对Framebuffer操作即可，其他交给驱动程序和硬件。

Framebuffer API接口

open系统调用

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RZJT632S-1672143896223)(en-resource://database/1570:1)]

头文件：#include ，#include ，#include

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：

• pathname 表示打开文件的路径；

• Flags表示打开文件的方式，常用的有以下6种，

    ①：O_RDWR表示可读可写方式打开;
    ②：O_RDONLY表示只读方式打开;
    ③：O_WRONLY表示只写方式打开;
    ④：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;
    ⑤：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；
    ⑥：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；
  

• 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。返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。

ioctl系统调用

头文件：#include

函数原型：

• int ioctl(int fd, unsigned long request, …);

函数说明：

• fd 表示文件描述符；
• 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；
• … 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。

返回值： 打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。

mmap系统调用

头文件：#include

函数原型：

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

函数说明：

• 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；

• length表示将文件中多大的内容映射到内存中；

• prot 表示映射区域的保护方式，可以为以下4种方式的组合

  ①PROT_EXEC 映射区域可被执行
  ②PROT_READ 映射区域可被读写
  ③PROT_WRITE 映射区域可被写入
  ④PROT_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

  ①MAP_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。
  ②MAP_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。

在LCD上描点操作

在LCD上显示点阵理论基础

如上图，当我们需要显示一个字母‘A’时，是通过判断点阵的每一个位数值状态，来填充颜色，达到显示字符效果。其中‘1’表示一种颜色，‘0’表示填充另一种颜色。上图的是8*16的点阵，我们也可以用其他不同大小点阵，只要有这个点阵，我们就可以在LCD上面描点，达到显示字符的效果。

获取fb_var_screeninfo结构体

在用点阵显示字符之前，我们需要先从设备fb0中获取相关的LCD信息，下图截取我们将用到的fb_info结构体部分内容。

通过系统调用ioctl，获取xres(x方向总像素点)，yres（y方向总像素点），bits_per_pixel（每个像素点占据的位数），根据获取的三个资源，外加点阵，根据这四个资源，我们就可以显示一个字符。

• 程序文件：show_ascii.c

4718        fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
4719        if (fd_fb < 0)
4720        {
4721            printf("can't open /dev/fb0\n");
4722            return -1;
4723        }
4724        if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
4725        {
4726                  printf("can't get var\n");
4727                  return -1;
4728         }        

先打开LCD设备（fb0），获得文件描述符，再通过ioctl获取fb_var_screeninfo信息并保存在var变量，后续只需访问var这个结构体，就可以获得xres(x方向总像素点)，yres（y方向总像素点），bits_per_pixel（每个像素点占据的位数）这三个关于fb0的资源。

根据fb_var_screeninfo计算变量

fb_var_screeninfo已保存在var结构体变量中，接着来访问var结构体变量即可

根据xres与bits_per_pixel算出每行像素点所占据的字节数

程序文件：show_ascii.c

4730   line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;

根据bits_per_pixel算出每个像素点所占据的字节数

程序文件：show_ascii.c

4731    pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;

根据xres，yres，bits_per_pixel算出全部像素点所占据的字节总和

程序文件：show_ascii.c

4732    screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;

使用mmap系统调用，映射内存

程序文件： show_ascii.c

4733    fbmem = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
4734  if (fbmem == (unsigned char *)-1)
4735  {
4736          printf("can't mmap\n");
4737          return -1;
4738  }
4739
4740  /* 清屏: 全部设为黑色 */
4741  memset(fbmem, 0, screen_size);

调用mmap将显存映射在内存中，以可读可写（PROT_READ | PROT_WRITE）及内存回写（MAP_SHARED）的方式映射，从而获得一个指向映射在内存空间的首地址fbmem，后续操作就是在这个首地址的基础上计算各种不同的偏移量，填充颜色值。

描点函数编写

程序文件： show_ascii.c

4641    void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)

描点函数有3个参数，x坐标，y坐标，像素点颜色值。

程序文件： show_ascii.c

4643          unsigned char *pen_8 = fbmem+y*line_width+x*pixel_width;
4644          unsigned short *pen_16;        
4645          unsigned int *pen_32;  
4646
4647          unsigned int red, green, blue;       
4648
4649          pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
4650          pen_32 = (unsigned int *)pen_8;

在此处函数参数x与y表示的是像素点的坐标，而单个像素点所占据的显存大小可能会有不同的情况出现，如1字节表示一个像素点，2字节表示一个像素点，4字节表示一个像素点等，为了更多的兼容不同的情况，因此申请3个指针，pen_8指向的是占据1个字节的像素点空间, pen_16指向的是占据2个字节的像素点空间，pen_32指向的是占据4个字节的像素点空间。

fbmem是系统调用mmap返回的显存首地址，根据fbmem计算填充颜色的内存空间。

当像素点占据1个字节空间时

对应描点地址= fbmem+Y * 一行所占据的字节数 + x * 每个像素点所占据的字节数

程序文件： show_ascii.c

4652          switch (var.bits_per_pixel)
4653          {
4654                  case 8:
4655                  {
4656                          *pen_8 = color;
4657                          break;
4658                  }
4659                  case 16:
4660                  {
4661                          /* 565 */
4662                          red   = (color >> 16) & 0xff;
4663                          green = (color >> 8) & 0xff;
4664                          blue  = (color >> 0) & 0xff;
4665                          color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) |  (blue >> 3);
4666                          *pen_16 = color;
4667                          break;
4668                  }
4669                  case 32:
4670                  {
4671                          *pen_32 = color;
4672                          break;
4673                  }
4674                  default:
4675                  {
4676                          printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
4677                          break;
4678                  }
4679          }
4680  

根据设备fb0实际的bits_per_pixel值，选择对应的pen（pen_8，pen_16，pen_32其中一个），最后把color颜色变量传入选择的pen中。

在LCD上使用点阵写字

在LCD上显示英文字母

①找出英文字母在点阵数组中的地址，c所代表的是一个英文字母（ASCII值）。

程序文件： show_ascii.c

4693 unsigned char *dots = (unsigned char *)&fontdata_8x16[c*16];

②根据获得的英文字母点阵，每一位依次判断，描点，‘1’表示白色，‘0’表示黑色。

根据上图，我们分析下如何利用点阵在LCD上显示一个英文字母，因为有十六行，所以首先要有一个循环16次的大循环，然后每一行里有8位，那么在每一个大循环里也需要一个循环8次的小循环，小循环里的判断单行的描点情况，如果是1，就填充白色，如果是0就填充黑色，如此一来，就可以显示出黑色底，白色轮廓的英文字母。

程序文件： show_ascii.c

4697          for (i = 0; i < 16; i++)
4698          {
4699                  byte = dots[i];
4700                  for (b = 7; b >= 0; b--)
4701                  {
4702                          if (byte & (1<

③调用我们编写的lcd_put_ascii函数

程序文件： show_ascii.c

4743 lcd_put_ascii(var.xres/2, var.yres/2, 'A'); /*在屏幕中间显示8*16的字母A*/

④编译c文件show_ascii.c编译命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -o show_ascii show_ascii.c

⑤将编译出来的show_ascii传输到开发板，并进入show_ascii的目录下

执行命令：./show_ascii

如果实验成功，我们将看到屏幕中间会显示出一个白色的字母‘A’。

在LCD上显示汉字

与显示英文字母有点不同，因为汉字的点阵我们是需要通过汉字库提取出来，并没有直接提供点阵数组，因此我们程序开头需要打开汉字库文件(HZK16)，然后再找到相应的位置，提取出汉字的点阵，最后再按显示英文字母一样显示它，不过这个汉字是16*16的。

① 打开汉字库文件程序文件：show_font.c

4760  fd_hzk16 = open("HZK16", O_RDONLY); 

② 获取汉字库文件的属性，存在hzk_stat结构体变量中

程序文件：show_font.c

4793      if(fstat(fd_hzk16, &hzk_stat))

此处主要是用知道该文件的大小，因为后面mmap时需要知道映射的文件大小。

③使用mmap系统调用程序文件：show_font.c

4798    hzkmem = (unsigned char *)mmap(NULL , hzk_stat.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd_hzk16, 0);

hzkmem与fbmem类似，也是一个指向映射内存的指针，但是它是指向汉字库，方便后续计算汉字点阵偏移位置用。

④使用汉字库，调出点阵显示汉字

HZK16 字库是符合GB2312标准的16×16点阵字库HZK16的编码，每个字需要32个字节的点阵来表示，例如我们将要显示的‘中’字，编码是D6D0，难道就是2个字节表示吗？不是说32字节吗？D6D0编码是一个类似于索引码，D6是区码，D0是位码，先要找到D6-A1才是真正区，在D6-A1区里找到D0-A1的真正位置，这才是‘中’字点阵的起始位置（减去A1是为了兼容ascii），每一个区有94个汉字。

程序文件： show_font.c

4734          unsigned int area  = str[0] - 0xA1;
4735          unsigned int where = str[1] - 0xA1;
4736          unsigned char *dots = hzkmem + (area * 94 + where)*32;

>上图是汉字点阵排布的示意图，总共有十六行，因此需要一个循环16次的大循环，考虑到一行有两个字节，我们大循环中加入一个循环2次的循环用于区分是哪个字节，最后判断当前字节的每一位，如果为 ‘1’描白色，如果为‘0’描黑色

程序文件： show_font.c

4740       for (i = 0; i < 16; i++)
4741                  for (j = 0; j < 2; j++)
4742                  {
4743                          byte = dots[i*2 + j];
4744                          for (b = 7; b >=0; b--)
4745                          {
4746                                  if (byte & (1<

⑤调用我们编写的lcd_put_chinese函数

程序文件： show_font.c

4810  printf("chinese code: %02x %02x\n", str[0], str[1]);
4811  lcd_put_chinese(var.xres/2 + 8,  var.yres/2, str);

⑥编译c文件show_font.c

编译命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -o show_font show_font.c

注：使用此命令HZK16文件必须与show_font.C在同一目录下。

⑦将编译出来的show_font传输到开发板，并进入show_font的目录下

执行命令：./show_font

如果实验成功，我们将看到屏幕中间会显示出一个白色的字母‘A’与汉字‘中’，同时在串口打印信息中看到‘中’对应的编码。

chinese code: d6 d0

搭建freetype相关环境

交叉编译freetype，并安装

①解压freetype源文件tar xjf freetype-2.4.10.tar.bz2

②进入解压后的freetype-2.4.10目录cd freetype-2.4.10

③配置freetype-2.4.10

./configure --host=arm-linux-gnueabihf --prefix=/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/

④建个目录，避免后面安装出错提示缺少这个internal目录

mkdir /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/freetype2/freetype/internal -p

④编译

make

⑤安装

make install

⑥移动freetype头文件，避免以后编译总是需要指定头文件路径

mv /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/freetype2/freetype /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/

freetype库，头文件移植至开发板

由于100ask开发板已经有freetype相关的库和头文件，因此不需要移植，如果开发板没有freetype库和头文件就需要按以下方法移植/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/* 复制到开发板的头文件目录中

/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/lib/so 复制到开发板的库文件目录中

注：链接文件需要保持它的链接属性（即加-d选项）。

使用freetype

矢量字体引入

点阵显示英文字母，汉字时，大小固定，如果放大会有锯齿出现，为了解决这个问题，引用矢量字体。

矢量字体形成分三步，若干的关键点，数学曲线（贝塞尔曲线），填充颜色组合而成。

①假设A字母的关键点如图中的黄色圈圈，确定关键点。

②用数学曲线将关键点都连接起来，成为封闭的曲线。

③最后把封闭空间填满颜色，就显示出一个A字母。

如果需要放大或者缩小字体，关键点的相对位置是不变的，跟进放大比例放大或缩小，但是相对位置不变，好像分数中的1/2 和 2/4，比例是不变的，但是值却大了，类似这个味道。

Freetype理论介绍

开源的Freetype字体引擎库它提供统一的接口来访问多种字体格式文件，从而实现矢量字体显示。我们只需要移植这个字体引擎，调用对应的API接口，提供字体关键点，就可以让freetype库帮我们实现闭合曲线，填充颜色，达到显示矢量字体的目的。关键点（glyph）存在字体文件中，Windows使用的字体文件在FONTS目录下，扩展名为TTF的都是矢量字库，本次使用实验使用的是新宋字体simsun.ttc。

字体文件结构如上图

Charmaps表示字符映射表，字体文件可能支持哪一些编码，GBK，UNICODE，BIG5还是别的编码，如果字体文件支持该编码，跟进编码，通过charmap，找到对应的glyph，一般而言都支持UNICODE码。

有了以上基础，我们想象一个文字的显示过程

• ①给定一个文字吗‘A’（0x41），‘中’（GBK，UNICODE ,BIG5）可以确定它的编码值；
• ②跟进编码值，从枝头文件中通过charmap找到对应的关键点（glyph）；
• ③设置字体大；
• ④用某些函数把关键点（glyph）缩放为我们设置的字体大小；
• ⑤转换为位图点阵⑥在LCD上显示出来
  
  如上图，参照step1，step2，step3里的内容，可以学习如何使用freetype库，大致总结下，为如下步骤。

①初始化：FT_InitFreetype

②加载（打开）字体Face：FT_New_Face

③设置字体大小：FT_Set_Char_Sizes 或 FT_Set_Pixel_Sizes

④选择charmap：FT_Select_Charmap

⑤根据编码值charcode找到glyph : glyph_index = FT_Get_Char_Index（face，charcode）

⑥根据glyph_index取出glyph：FT_Load_Glyph（face，glyph_index）

⑦转为位图：FT_Render_Glyph

⑧移动或旋转:FT_Set_Transform

在LCD上显示一个矢量字体

我们可以参考上图位置的c程序，编写程序。

①初始化freetype库

程序文件： freetype_show_font.c

4872   error = FT_Init_FreeType( &library );                         /* initialize library */

②用freetype库中的FT_New_Face函数创建一个face字体文件对象，保存在&face中

程序文件： freetype_show_font.c

4875    error = FT_New_Face( library, argv[1], 0, &face ); /* create face object */

③提取face对象中的glyph，即关键点集程序文件：freetype_show_font.c4877 slot = face->glyph;

④设置像素点大小，24*24

程序文件： freetype_show_font.c

4879    FT_Set_Pixel_Sizes(face, 24, 0);

⑤确定坐标

目前我们前面所用的都是LCD的坐标系对应的x与y坐标，然后在freetype上却是使用的笛卡尔坐标系，因此我们还需要转换x与y坐标。

我们将要显示的是‘繁’字，根据上图可知，先计算在lcd坐标系的情况下‘繁’字的左下角的x坐标与y坐标，因为在笛卡尔坐标中左下角为字符的原点，‘A’是的左上角为整个屏幕的中心点，即（xres/2，yres/2）。

lcd_x = var.xres/2 + 8 + 16；lcd_y = var.yres/2 + 16
则笛卡尔座标系:x = lcd_x = var.xres/2 + 8 + 16 ； y = var.yres - lcd_y = var.yres/2 – 16
单位是1/64像素，所以需要乘以64

程序文件： freetype_show_font.c

4888  pen.x = (var.xres/2 + 8 + 16) * 64;
4889  pen.y = (var.yres/2 - 16) * 64;
4890
4891  /* set transformation */
4892    FT_Set_Transform( face, 0, &pen);

⑥找到glyph的位置，然后取出，并转换为位图

4895  error = FT_Load_Char( face, chinese_str[0], FT_LOAD_RENDER );
4896  if (error)
4897  {
4898          printf("FT_Load_Char error\n");
4899          return -1;
4900  }

FT_Load_Char函数调用替代了上图这3步。

最后把转换出来的位图打印出来，也是参考example1.c编写

程序文件： freetype_show_font.c

4902     draw_bitmap( &slot->bitmap,
4903                  slot->bitmap_left,
4904                  var.yres - slot->bitmap_top);

程序文件：example1.c

修改上图3处位置

Width宽度：因为在LCD上显示，宽度自然就是x方向的像素点数，var.xres；
Height高度：因为在LCD上显示，高度自然就是y方向的像素点数，var.yres；
用点阵实验中的的描点函数lcd_put_pixel替代image数组

lcd_put_pixel(i, j, bitmap->buffer[q * bitmap->width + p]);

⑥编译C程序文件freetype_show_font.c

编译命令：

arm-linux-gnueabihf-gcc -finput-charset=GBK -fexec-charset=GBK -o freetype_show_font freetype_show_font.c -lfreetype -lm

⑦将编译好的freetype_show_font的文件与simsun.ttc字体文件拷贝至开发板，simsun.ttc字体文件放在freetype_show_font执行文件的上一层目录下，执行以下命令。

执行命令：
./freetype_show_font …/simsun.ttc

如果实验成功，我们将看到屏幕中间会比之前实验多出一个蓝色的‘繁’字。

在LCD上令矢量字体旋转某个角度

在实现显示一个矢量字体后，我们可以添加让该字旋转某个角度的功能。

我们根据输入的第二个参数，判断其旋转角度，主要代码还是参照example1.c

根据上图，增加旋转角度功能，旋转的角度由执行命令的第二个参数指定。

程序文件：freetype_show_font_angle.c

/* use 25 degrees */

4894  angle = ( 1.0 * strtoul(argv[2], NULL, 0) / 360 ) * 3.14159 * 2;

4895  /* set up matrix */
4896  matrix.xx = (FT_Fixed)( cos( angle ) * 0x10000L );
4897  matrix.xy = (FT_Fixed)(-sin( angle ) * 0x10000L );
4898  matrix.yx = (FT_Fixed)( sin( angle ) * 0x10000L );
4899  matrix.yy = (FT_Fixed)( cos( angle ) * 0x10000L );
4900
4901    /* set transformation */
4902    FT_Set_Transform( face, &matrix, &pen);

最后编译，在开发板上运行

编译命令如下：

编译命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -finput-charset=GBK -fexec-charset=GBK -o freetype_show_font_angle freetype_show_font_angle.c -lfreetype -lm

编译出的文件名为freetype_show_font_angle，将文件拷贝至开发板

在含有该文件的目录下执行以下命令，以下命令正确执行前提是执行文件freetype_show_font在此目录，而且字体文件simsun.ttc，在上一级目录：

执行命令：

./freetype_show_font_angle ../simsun.ttc 90

如果实验成功，我们将看到屏幕中间的蓝色‘繁’字，旋转了90度。

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致谢

以上笔记源自韦东山老师的视频课程，感谢韦老师,韦老师是嵌入式培训界一股清流，为嵌入式linux开发点起的星星之火，也愿韦老师桃李满园。聚是一团火，散是满天星！

在这样一个速食的时代，坚持做自己，慢下来，潜心琢磨，心怀敬畏，领悟知识，才能向下扎到根，向上捅破天，背着世界往前行！
仅此向嵌入行业里的每一个认真做技术的从业者致敬！

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