Framebuffer 介绍和应用编程

前言：

使用的开发板为韦东山老师的 IMX6ULL

目录

Framebuffer介绍

LCD 操作原理

涉及的 API 函数

1.open 函数

2.ioctl 函数

3.mmap 函数

Framebuffer 程序分析

1.打开设备

2.获取 LCD 参数

3.映射 Framebuffer

4.描点函数

5.随便画几个点

6.上机实验

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Framebuffer介绍

Framebuffer，也叫帧缓冲，其内容对应于屏幕上的界面显示，可以将其简单理解为屏幕上显示内容对应的缓存，修改Framebuffer中的内容，即表示修改屏幕上的内容，所以，直接操作Framebuffer可以直接从显示器上观察到效果。

但Framebuffer并不是屏幕内容的直接的像素表示。Framebuffer实际上包含了几个不同作用的缓存，比如颜色缓存、深度缓存等，具体不详细说明。大家只需要知道，这几个缓存的共同作用下，形成了最终在屏幕上显示的图像。

其实，Framebuffer就是一段存储空间，其可以位于显存，也可以位于内存。

Framebuffer是一个逻辑上的概念，并非在显存或者是内存上有一块固定的物理区域叫Framebuffer。实际上，物理是显存或者内存，只要是在GPU能够访问的空间范围内(GPU的物理地址空间)，任意分配一段内存(或显存)，都可以作为Framebuffer使用，只需要在分配后将该内存区域信息，设置到显卡相关的寄存器中即可。这个其实跟DMA区域的概念是类似的。

一个支持OpenGL渲染的窗口 (即帧缓存) 可能包含以下的组合：

· 至多4个颜色缓存

· 一个深度缓存

· 一个模板缓存

· 一个积累缓存

· 一个多重采样缓存

帧缓冲存储器(Frame Buffer)：简称帧缓存或显存，它是屏幕所显示画面的一个直接映象，又称为位映射图(Bit Map)或光栅。帧缓存的每一存储单元对应屏幕上的一个像素，整个帧缓存对应一帧图像。

帧缓冲 [1] （framebuffer）是Linux为显示设备提供的一个接口，把显存抽象后的一种设备，他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。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。

帧缓冲驱动的应用广泛，在linux的桌面系统中，Xwindow服务器就是利用帧缓冲进行窗口的绘制。尤其是通过帧缓冲可显示汉字点阵，成为Linux汉化的唯一可行方案。

Linux FrameBuffer 本质上只是提供了对图形设备的硬件抽象，在开发者看来，FrameBuffer 是一块显示缓存，往显示缓存中写入特定格式的数据就意味着向屏幕输出内容。所以说FrameBuffer就是一块白板。例如对于初始化为16 位色的FrameBuffer 来说， FrameBuffer中的两个字节代表屏幕上一个点，从上到下，从左至右，屏幕位置与内存地址是顺序的线性关系。

帧缓存可以在系统存储器(内存)的任意位置，视频控制器通过访问帧缓存来刷新屏幕。 帧缓存也叫刷新缓存 Frame buffer 或 refresh buffer, 这里的帧(frame)是指整个屏幕范围。

帧缓存有个地址，是在内存里。我们通过不停的向frame buffer中写入数据， 显示控制器就自动的从frame buffer中取数据并显示出来。全部的图形都共享内存中同一个帧缓存。

CPU指定显示控制器工作，则显示控制器根据CPU的控制到指定的地方去取数据 和 指令， 目前的数据一般是从显存里取，如果显存里存不下，则从内存里取， 内存也放不下，则从硬盘里取，当然也不是内存放不下，而是为了节省内存的话，可以放在硬盘里，然后通过指令控制显示控制器去取。帧缓存 Frame Buffer，里面存储的东西是一帧一帧的， 显卡会不停的刷新Frame Buffer, 这每一帧如果不捕获的话， 则会被丢弃，也就是说是实时的。这每一帧不管是保存在内存还是显存里，都是一个显性的信息，这每一帧假设是800x600的分辨率， 则保存的是800x600个像素点，和颜色值。

LCD 操作原理

在 Linux 系统中通过 Framebuffer 驱动程序来控制 LCD。

Frame 是帧的意思，buffer 是缓冲的意思，这意味着 Framebuffer 就是一块内存，里面保存着 一帧图像。

Framebuffer 中保存着一帧图像的每一个像素颜色值，假设 LCD 的 分辨率是 1024x768，每一个像素的颜色用 32 位来表示，那么 Framebuffer 的 大小就是：1024x768x32/8=3145728 字节。

简单介绍 LCD 的操作原理：

1.驱动程序设置好 LCD 控制器：

• 根据 LCD 的参数设置 LCD 控制器的时序、信号极性；
• 根据 LCD 分辨率、BPP 分配 Framebuffer。

2.APP 使用 ioctl 获得 LCD 分辨率、BPP

3.APP 通过 mmap 映射 Framebuffer，在 Framebuffer 中写入数据

假设需要设置 LCD 中坐标(x,y)处像素的颜色，首要要找到这个像素对应的 内存，然后根据它的 BPP 值设置颜色。假设 fb_base 是 APP 执行 mmap 后得到 的 Framebuffer 地址

如下图所示：

可以用以下公式算出(x,y)坐标处像素对应的 Framebuffer 地址：

(x，y)像素起始地址=fb_base+(xres*bpp/8)*y + x*bpp/8

最后一个要解决的问题就是像素的颜色怎么表示？它是用 RGB 三原色(红、绿、 蓝)来表示的，在不同的 BPP 格式中，用不同的位来分别表示 R、G、B，如下图所示：

• 对于 32BPP，一般只设置其中的低 24 位，高 8 位表示透明度，一般的 LCD 都不支持。
• 对于 24BPP，硬件上为了方便处理，在 Framebuffer 中也是用 32 位来表 示，效果跟 32BPP 是一样的。
• 对于 16BPP，常用的是 RGB565；很少的场合会用到 RGB555，这可以通过 ioctl 读取驱动程序中的 RGB 位偏移来确定使用哪一种格式。

涉及的 API 函数

本节程序的目的是：打开 LCD 设备节点，获取分辨率等参数，映射 Framebuffer，最后实现描点函数

1.open 函数

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，

• O_RDWR 表示可读可写方式打开;
• O_RDONLY 表示只读方式打开;
• O_WRONLY 表示只写方式打开;
• 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;
• 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；
• 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

2.ioctl 函数

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。

ioctl 的作用非常强大、灵活。不同的驱动程序内部会实现不同的 ioctl， APP 可以使用各种 ioctl 跟驱动程序交互：可以传数据给驱动程序，也可以从驱动程序中读出数据。

3.mmap 函数

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

• PROT_EXEC 映射区域可被执行
• PROT_READ 映射区域可被读出
• PROT_WRITE 映射区域可被写入
• PROT_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

• MAP_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。
• MAP_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

Framebuffer 程序分析

应用层代码示例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

static int fd_fb;
static struct fb_var_screeninfo var;	/* Current var */
static int screen_size;
static unsigned char *fb_base;
static unsigned int line_width;
static unsigned int pixel_width;

/**********************************************************************
 * 函数名称： lcd_put_pixel
 * 功能描述： 在LCD指定位置上输出指定颜色（描点）
 * 输入参数： x坐标，y坐标，颜色
 * 输出参数： 无
 * 返 回 值： 会
 * 修改日期        版本号     修改人	      修改内容
 * -----------------------------------------------
 * 2020/05/12	     V1.0	  zh(angenao)	      创建
 ***********************************************************************/ 
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
{
	unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;
	unsigned short *pen_16;	
	unsigned int *pen_32;	

	unsigned int red, green, blue;	

	pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
	pen_32 = (unsigned int *)pen_8;

	switch (var.bits_per_pixel)
	{
		case 8:
		{
			*pen_8 = color;
			break;
		}
		case 16:
		{
			/* 565 */
			red   = (color >> 16) & 0xff;
			green = (color >> 8) & 0xff;
			blue  = (color >> 0) & 0xff;
			color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
			*pen_16 = color;
			break;
		}
		case 32:
		{
			*pen_32 = color;
			break;
		}
		default:
		{
			printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
			break;
		}
	}
}

int main(int argc, char **argv)
{
	int i;
	
	fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
	if (fd_fb < 0)
	{
		printf("can't open /dev/fb0\n");
		return -1;
	}
	if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
	{
		printf("can't get var\n");
		return -1;
	}

	line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;
	pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;
	screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;
	fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
	if (fb_base == (unsigned char *)-1)
	{
		printf("can't mmap\n");
		return -1;
	}

	/* 清屏: 全部设为白色 */
	memset(fb_base, 0xff, screen_size);

	/* 随便设置出100个为红色 */
	for (i = 0; i < 100; i++)
		lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000);
	
	munmap(fb_base , screen_size);
	close(fd_fb);
	
	return 0;	
}

1.打开设备

首先打开设备节点:

73     fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
74     if (fd_fb < 0)
75     {
76         printf("can't open /dev/fb0\n");
77         return -1;
78     }

2.获取 LCD 参数

LCD 驱动程序给 APP 提供 2 类参数：可变的参数 fb_var_screeninfo、固定的参数 fb_fix_screeninfo。编写应用程序时主要关心可变参数，它的结构体定义如下(#include )：

可以使用以下代码获取 fb_var_screeninfo：

12 static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */
……
79     if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
80     {
81         printf("can't get var\n");
82         return -1;
83     }

注意到 ioctl 里用的参数是：FBIOGET_VSCREENINFO，它表示 get var screen info，获得屏幕的可变信息；当然也可以使用 FBIOPUT_VSCREENINFO 来调整这些参数，但是很少用到。

对于固定的参数 fb_fix_screeninfo，在应用编程中很少用到。它的结构体定义如下：可以使用 ioctl FBIOGET_FSCREENINFO 来读出这些信息，但是很少用到。

3.映射 Framebuffer

要映射一块内存，需要知道它的地址──这由驱动程序来设置，需要知道它的大小──这由应用程序决定。代码如下：

85     line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;
86     pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;
87     screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;
88     fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, M
                  AP_SHARED, fd_fb, 0);
89     if (fb_base == (unsigned char *)-1)
90     {
91         printf("can't mmap\n");
92         return -1;
93     }

第 88 行中，screen_size 是整个 Framebuffer 的大小；PROT_READ | PROT_WRITE 表示该区域可读、可写；MAP_SHARED 表示该区域是共享的，APP 写入数据时，会直达驱动程序

4.描点函数

能够在 LCD 上描绘指定像素后，就可以写字、画图，描点函数是基础。

代码如下：

28 void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
29 {
30     unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;
31     unsigned short *pen_16;
32     unsigned int *pen_32;
33
34     unsigned int red, green, blue;
35
36     pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
37     pen_32 = (unsigned int *)pen_8;
38
39     switch (var.bits_per_pixel)
40     {
41         case 8:
42         {
43             *pen_8 = color;
44             break;
45         }
46         case 16:
47         {
48             /* 565 */
49             red = (color >> 16) & 0xff;
50             green = (color >> 8) & 0xff;
51             blue = (color >> 0) & 0xff;
52             color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
53             *pen_16 = color;
54             break;
55         }
56         case 32:
57         {
58             *pen_32 = color;
59             break;
60         }
61         default:
62         {
63             printf("can't surport %dbpp\n",var.bits_per_pixel);
64             break;
65         }
66     }
67 }

第 28 行中传入的 color 表示颜色，它的格式永远是 0x00RRGGBB，即 RGB888。

当 LCD 是 16bpp 时，要把 color 变量中的 R、G、B 抽出来再合并成 RGB565 格 式。

第 30 行计算(x,y)坐标上像素对应的 Framebuffer 地址。

第 43 行，对于 8bpp，color 就不再表示 RBG 三原色了，这涉及调色板的概 念，color 是调色板的值。

第 49～51 行，先从 color 变量中把 R、G、B 抽出来。

第 52 行，把 red、green、blue 这三种 8 位颜色值，根据 RGB565 的格式， 只保留 red 中的高 5 位、green 中的高 6 位、blue 中的高 5 位，组合成一个新 的 16 位颜色值。

第 53 行，把新的 16 位颜色值写入 Framebuffer。

第 58 行，对于 32bpp，颜色格式跟 color 参数一致，可以直接写入 Framebuffer。

5.随便画几个点

本程序的 main 函数，在最后只是简单地画了几个点：

95     /* 清屏: 全部设为白色 */
96     memset(fbmem, 0xff, screen_size);
97
98     /* 随便设置出 100 个为红色 */
99     for (i = 0; i < 100; i++)
100         lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000);

6.上机实验

在 Ubuntu 中编译程序，先设置交叉编译工具链，再执行以下命令：

arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o show_pixel show_pixel.c

然后在开发板上执行 show_pixel 程序，观察现象