Linux 驱动学习-framebuffer-fb-LCD驱动

1、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。

    framebuffer是个字符设备，主设备号为29，对应于/dev/fb%d 设备文件。

通常，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，可以读写其内容。例如，屏幕抓屏：cp /dev/fb0 myfilefb 虽然可以像内存设备（/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。

2、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。

在应用程序中，操作/dev/fbn的一般步骤如下：
（1）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。

3、fb的结构及其相关结构体

在linux中，fb设备驱动的源码主要在Fb.h (linux2.6.28\include\linux)和Fbmem.c (linux2.6.28\drivers\video)两个文件中，它们是fb设备驱动的中间层，为上层提供系统调用，为底层驱动提供接口。

在fb.h文件中有fb驱动需要使用的很多结构，我们先对这些结构体进行说明：

（1）、

一个帧缓冲区对应一个struct fb_info结构，它包括了帧缓冲设备的属性和操作的完整集合，每个帧设备都有一个fb_info结构体。源码如下：

struct fb_info {
int node;
int flags;
struct mutex lock;/* Lock for open/release/ioctl funcs */互斥锁
struct fb_var_screeninfo var;/* Current var */当前缓冲区的可变参数
struct fb_fix_screeninfo fix;/* Current fix */固定参数
struct fb_monspecs monspecs;/* Current Monitor specs */当前显示器标志
struct work_struct queue;/* Framebuffer event queue */帧缓冲事件队列
struct fb_pixmap pixmap;/* Image hardware mapper */图像硬件mapper
struct fb_pixmap sprite;/* Cursor hardware mapper */光标硬件mapper
struct fb_cmap cmap;/* Current cmap */当前的调色板
struct list_head modelist;      /* mode list */
struct fb_videomode *mode;/* current mode */当前的视频模式


#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT如果配置了LCD支持背光灯
/* assigned backlight device */
/* set before framebuffer registration, 
  remove after unregister */背光调整
struct backlight_device *bl_dev;


/* Backlight level curve */
struct mutex bl_curve_mutex;
u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];
#endif
#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
struct delayed_work deferred_work;
struct fb_deferred_io *fbdefio;
#endif


struct fb_ops *fbops;帧缓冲操作函数集
struct device *device;/* This is the parent */父设备
struct device *dev;/* This is this fb device */fb设备
int class_flag;                    /* private sysfs flags */私有的sysfs标志
#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING
struct fb_tile_ops *tileops;    /* Tile Blitting */图块blitting
#endif
char __iomem *screen_base;/* Virtual address */虚拟基地址
unsigned long screen_size;/* Amount of ioremapped VRAM or 0 */ ioremap的虚拟内存大小
void *pseudo_palette;/* Fake palette of 16 colors */ 伪16位调色板
#define FBINFO_STATE_RUNNING 0
#define FBINFO_STATE_SUSPENDED 1
u32 state; /* Hardware state i.e suspend */硬件的状态
void *fbcon_par;                /* fbcon use-only private area */
/* From here on everything is device dependent */
void *par;
};

（2）、

/*
 * Frame buffer operations
 *
 * LOCKING NOTE: those functions must _ALL_ be called with the console
 * semaphore held, this is the only suitable locking mechanism we have
 * in 2.6. Some may be called at interrupt time at this point though.
 */
fb_ops结构体用来实现对帧缓冲设备的操作，这些函数需要驱动开发人员编写，

struct fb_ops {
/* open/release and usage marking */
struct module *owner;

          打开和释放
int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);

int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);

          这两个函数对于非线性布局的/常规内存映射无法工作的帧缓冲设备需要
/* For framebuffers with strange non linear layouts or that do not
* work with normal memory mapped access
*/
ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,
  size_t count, loff_t *ppos);
ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,
   size_t count, loff_t *ppos);

           检测可变参数，并调整到支持的值
/* checks var and eventually tweaks it to something supported,
* DO NOT MODIFY PAR */
int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

            设置视频模式
/* set the video mode according to info->var */
int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);

           设置color寄存器的值
/* set color register */
int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,
   unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);

            批量设置color寄存器，设置颜色表
/* set color registers in batch */
int (*fb_setcmap)(struct fb_cmap *cmap, struct fb_info *info);

          显示空白
/* blank display */
int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);

          pan显示
/* pan display */
int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

          填充矩形
/* Draws a rectangle */
void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);

            数据复制
/* Copy data from area to another */
void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);

           图形填充
/* Draws a image to the display */
void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);

           绘制光标
/* Draws cursor */
int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);

            旋转显示
/* Rotates the display */
void (*fb_rotate)(struct fb_info *info, int angle);

            等待blit空闲
/* wait for blit idle, optional */
int (*fb_sync)(struct fb_info *info);

             fb特定的ioctl操作
/* perform fb specific ioctl (optional) */
int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd,
unsigned long arg);

              处理32兼容的ioctl操作
/* Handle 32bit compat ioctl (optional) */
int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd,
unsigned long arg);

             fb特定的mmap操作
/* perform fb specific mmap */
int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);

           保存目前的硬件状态
/* save current hardware state */
void (*fb_save_state)(struct fb_info *info);

            恢复被保存的硬件状态
/* restore saved state */
void (*fb_restore_state)(struct fb_info *info);

           通过fb_info获得framebuffer的能力
/* get capability given var */
void (*fb_get_caps)(struct fb_info *info, struct fb_blit_caps *caps,
   struct fb_var_screeninfo *var);
};

（3）、

fb_fix_screeninfo结构体中，记录了用户不能修改的固定显示控制器参数。这些固定的参数如缓冲区的物理地址、缓冲区的长度等等。
struct fb_fix_screeninfo {
char id[16]; /* identification string eg "TT Builtin" */

        字符串形式的标识符
unsigned long smem_start;/* Start of frame buffer mem */

/* (physical address) */

        fb缓存的开始位置
__u32 smem_len;/* Length of frame buffer mem */

        fb缓存的长度
__u32 type; /* see FB_TYPE_* */

        FB_TYPE_*类型
__u32 type_aux;/* Interleave for interleaved Planes */

         分界
__u32 visual; /* see FB_VISUAL_* */

       屏幕使用的色彩模式 
__u16 xpanstep;/* zero if no hardware panning  */

        如果没有硬件panning ，赋0
__u16 ypanstep;/* zero if no hardware panning  */

__u16 ywrapstep;/* zero if no hardware ywrap    */

         1行的字节数
__u32 line_length;/* length of a line in bytes    */

         内存映射I/O的开始位置
unsigned long mmio_start;/* Start of Memory Mapped I/O   */
/* (physical address) */

         内存映射I/O的长度
__u32 mmio_len;/* Length of Memory Mapped I/O  */
__u32 accel; /* Indicate to driver which */
/*  specific chip/card we have*/
__u16 reserved[3];/* Reserved for future compatibility */
};

（4）、

fb_var_screeninfo结构体中存储了用户可以修改的显示器控制参数，例如屏幕分辨率、透明度等等。

struct fb_var_screeninfo {
__u32 xres; /* visible resolution */
__u32 yres;

        可见解析度，即分辨率
__u32 xres_virtual;/* virtual resolution*/
__u32 yres_virtual;

        虚拟解析度
__u32 xoffset;/* offset from virtual to visible */
__u32 yoffset;/* resolution*/

        虚拟到可见之间的偏移
__u32 bits_per_pixel;/* guess what*/

        每像素位数，BPP
__u32 grayscale;/* != 0 Graylevels instead of colors */

        非0时指灰度


struct fb_bitfield red;/* bitfield in fb mem if true color, */
struct fb_bitfield green;/* else only length is significant */
struct fb_bitfield blue;

         fb缓存的R\G\B位域
struct fb_bitfield transp;/* transparency*/

         透明度

__u32 nonstd; /* != 0 Non standard pixel format */

        != 0 非标准像素格式

__u32 activate;/* see FB_ACTIVATE_**/

       
__u32 height; /* height of picture in mm    */

         屏幕的高度
__u32 width; /* width of picture in mm     */

         屏幕的宽度
__u32 accel_flags;/* (OBSOLETE) see fb_info.flags */
         fb_info的标志

/* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */
__u32 pixclock;/* pixel clock in ps (pico seconds) */

         /* 像素时钟（皮秒） */
__u32 left_margin;/* time from sync to picture*/

        行切换：从同步到绘图之间的延迟
__u32 right_margin;/* time from picture to sync*/

        行切换：从绘图到同步之间的延迟
__u32 upper_margin;/* time from sync to picture*/

        帧切换：从同步到绘图之间的延迟
__u32 lower_margin;

         帧切换：从绘图到同步之间的延迟
__u32 hsync_len;/* length of horizontal sync*/

         水平同步的长度
__u32 vsync_len;/* length of vertical sync*/

         垂直同步的长度
__u32 sync; /* see FB_SYNC_* */
__u32 vmode; /* see FB_VMODE_* */
__u32 rotate; /* angle we rotate counter clockwise */

        顺时钟旋转的角度
__u32 reserved[5];/* Reserved for future compatibility */
};

（5）、

fb_cmap结构体中记录了颜色板信息，即调色板信息。，用户空间可以通过ioctl()的FBIOGETCMAP和 FBIOPUTCMAP命令读取或设定颜色表。

struct fb_cmap {
__u32 start; /* First entry */第一个元素的入口
__u32 len; /* Number of entries */元素个数
__u16 *red; /* Red values */红色、绿色、蓝色
__u16 *green;  
__u16 *blue;
__u16 *transp;/* transparency, can be NULL */透明度
};

上面这些结构体之间有什么关系呢？看下图：

（6）、

fb_bitfield 结构体描述每一像素显示缓冲区的组织方式，包含位域偏移、位域长度和MSB 指示，

struct fb_bitfield {
__u32 offset; /* beginning of bitfield */

         位域偏移
__u32 length; /* length of bitfield */

        位域长度
__u32 msb_right;/* != 0 : Most significant bit is */ 
/* right */

        MSB
};