FrameBuffer 是出现在 2.2.xx 内核当中的一种驱动程序接口。 Linux是工作在保护模式下,所以用户态进程是无法象DOS那样使用显卡BIOS里提供的中断调用来实现直接写屏,Linux抽象出 FrameBuffer这个设备来供用户态进程实现直接写屏。Framebuffer机制模仿显卡的功能,将显卡硬件结构抽象掉,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。 但Framebuffer本身不具备任何运算数据的能力,就只好比是一个暂时存放水的水池.CPU将运算后的结果放到这个水池,水池再将结果流到显示器. 中间不会对数据做处理. 应用程序也可以直接读写这个水池的内容.在这种机制下,尽管Framebuffer需要真正的显卡驱动的支持,但所有显示任务都有CPU完成,因此CPU 负担很重. framebuffer的设备文件一般是 /dev/fb0、/dev/fb1 等等。 可以用命令: #dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 清空屏幕. 如果显示模式是 1024x768-8 位色,用命令:$ dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 bs=1024 count=768 清空屏幕; 用命令: #dd if=/dev/fb of=fbfile 可以将fb中的内容保存下来; 可以重新写回屏幕: #dd if=fbfile of=/dev/fb; 在使用Framebuffer时,Linux是将显卡置于图形模式下的. 在应用程序中,一般通过将 FrameBuffer 设备映射到进程地址空间的方式使用,比如下面的程序就打开 /dev/fb0 设备,并通过 mmap 系统调用进行地址映射,随后用 memset 将屏幕清空(这里假设显示模式是 1024x768-8 位色模式,线性内存模式): int fb; unsigned char* fb_mem; fb = open ("/dev/fb0", O_RDWR); fb_mem = mmap (NULL, 1024*768, PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fb,0); memset (fb_mem, 0, 1024*768); FrameBuffer 设备还提供了若干 ioctl 命令,通过这些命令,可以获得显示设备的一些固定信息(比如显示内存大小)、与显示模式相关的可变信息(比如分辨率、象素结构、每扫描线的字节宽度),以及伪彩色模式下的调色板信息等等。 通过 FrameBuffer 设备,还可以获得当前内核所支持的加速显示卡的类型(通过固定信息得到),这种类型通常是和特定显示芯片相关的。比如目前最新的内核(2.4.9)中,就包含有对 S3、Matrox、nVidia、3Dfx 等等流行显示芯片的加速支持。在获得了加速芯片类型之后,应用程序就可以将 PCI 设备的内存I/O(memio)映射到进程的地址空间。这些 memio 一般是用来控制显示卡的寄存器,通过对这些寄存器的操作,应用程序就可以控制特定显卡的加速功能。 PCI 设备可以将自己的控制寄存器映射到物理内存空间,而后,对这些控制寄存器的访问,给变成了对物理内存的访问。因此,这些寄存器又被称为"memio"。一旦被映射到物理内存,Linux 的普通进程就可以通过 mmap 将这些内存 I/O 映射到进程地址空间,这样就可以直接访问这些寄存器了。 当然,因为不同的显示芯片具有不同的加速能力,对memio 的使用和定义也各自不同,这时,就需要针对加速芯片的不同类型来编写实现不同的加速功能。比如大多数芯片都提供了对矩形填充的硬件加速支持,但不同的芯片实现方式不同,这时,就需要针对不同的芯片类型编写不同的用来完成填充矩形的函数。 FrameBuffer 只是一个提供显示内存和显示芯片寄存器从物理内存映射到进程地址空间中的设备。所以,对于应用程序而言,如果希望在 FrameBuffer 之上进行图形编程,还需要自己动手完成其他许多工作。
Framebuffer对应的源文件在linux/drivers/video/目录下。总的抽象设备文件为fbcon.c,在这个目录下还有与各种显卡驱动相关的源文件。
(一)、分析Framebuffer设备驱动
需要特别提出的是在INTEL平台上,老式的VESA 1.2 卡,如CGA/EGA卡,是不能支持Framebuffer的,因为Framebuffer要求显卡支持线性帧缓冲,即CPU可以访问显缓冲中的每一位, 但是VESA 1.2 卡只能允许CPU一次访问64K的地址空间。
FrameBuffer设备驱动基于如下两个文件:
1) linux/include/linux/fb.h
2) linux/drivers/video/fbmem.c
下面分析这两个文件。
1、fb.h
几乎主要的结构都是在这个中文件定义的。这些结构包括:
1)fb_var_screeninfo
这个结构描述了显示卡的特性:
struct fb_var_screeninfo
{
__u32 xres; /* visible resolution */
__u32 yres;
__u32 xres_virtual; /* virtual resolution */
__u32 yres_virtual;
__u32 xoffset; /* offset from virtual to visible resolution */
__u32 yoffset;
__u32 bits_per_pixel; /* guess what */
__u32 grayscale; /* != 0 Gray levels instead of colors */
struct fb_bitfield red; /* bitfield in fb mem if true color, */
struct fb_bitfield green; /* else only length is significant */
struct fb_bitfield blue;
struct fb_bitfield transp; /* transparency */
__u32 nonstd; /* != 0 Non standard pixel format */
__u32 activate; /* see FB_ACTIVATE_* */
__u32 height; /* height of picture in mm */
__u32 width; /* width of picture in mm */
__u32 accel_flags; /* acceleration flags (hints) */
/* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */
__u32 pixclock; /* pixel clock in ps (pico seconds) */
__u32 left_margin; /* time from sync to picture */
__u32 right_margin; /* time from picture to sync */
__u32 upper_margin; /* time from sync to picture */
__u32 lower_margin;
__u32 hsync_len; /* length of horizontal sync */
__u32 vsync_len; /* length of vertical sync */
__u32 sync; /* see FB_SYNC_* */
__u32 vmode; /* see FB_VMODE_* */
__u32 reserved[6]; /* Reserved for future compatibility */
};
2) fb_fix_screeninfon
这个结构在显卡被设定模式后创建,它描述显示卡的属性,并且系统运行时不能被修改;比如FrameBuffer内存的起始地址。它依赖于被设定的模式,当一个模式被设定后,内存信息由显示卡硬件给出,内存的位置等信息就不可以修改。
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 */
unsigned long mmio_start; /* Start of Memory Mapped I/O */
/* (physical address) */
__u32 mmio_len; /* Length of Memory Mapped I/O */
__u32 accel; /* Type of acceleration available */
__u16 reserved[3]; /* Reserved for future compatibility */
};
3) fb_cmap
描述设备无关的颜色映射信息。可以通过FBIOGETCMAP 和 FBIOPUTCMAP 对应的ioctl操作设定或获取颜色映射信息.
struct fb_cmap {
__u32 start; /* First entry */
__u32 len; /* Number of entries */
__u16 *red; /* Red values */
__u16 *green;
__u16 *blue;
__u16 *transp; /* transparency, can be NULL */
};
6) structure map
struct fb_info_gen | struct fb_info | fb_var_screeninfo
| | fb_fix_screeninfo
| | fb_cmap
| | modename[40]
| | fb_ops ---|--->ops on var
| | ... | fb_open
| | | fb_release
| | | fb_ioctl
| | | fb_mmap
| struct fbgen_hwswitch -|-> detect
| | encode_fix
| | encode_var
| | decode_fix
| | decode_var
| | get_var
| | set_var
| | getcolreg
| | setcolreg
| | pan_display
| | blank
| | set_disp
[编排有点困难,第一行的第一条竖线和下面的第一列竖线对齐,第一行的第二条竖线和下面的第二列竖线对齐就可以了]
这个结构 fbgen_hwswitch抽象了硬件的操作.虽然它不是必需的,但有时候很有用.
(二)一个LCD显示芯片的驱动实例
以Skeleton LCD 控制器驱动为例,在LINUX中存有一个/fb/skeleton.c的skeleton的Framebuffer驱动程序,很简单,仅仅是填充了 fb_info结构,并且注册/注销自己。设备驱动是向用户程序提供系统调用接口,所以我们需要实现底层硬件操作并且定义file_operations 结构来向系统提供系统调用接口,从而实现更有效的LCD控制器驱动程序。
1)在系统内存中分配显存
在fbmem.c文件中可以看到, file_operations 结构中的open()和release()操作不需底层支持,但read()、write()和 mmap()操作需要函数fb_get_fix()的支持.因此需要重新实现函数fb_get_fix()。另外还需要在系统内存中分配显存空间,大多数 的LCD控制器都没有自己的显存空间,被分配的地址空间的起始地址与长度将会被填充到fb_fix_screeninfo 结构的smem_start 和smem_len 的两个变量中.被分配的空间必须是物理连续的。
一、一个使用FrameBuffer的例子
好,现在可以让我们开始实现直接写屏:
1、打开一个FrameBuffer设备
2、通过mmap调用把显卡的物理内存空间映射到用户空间
3、直接写内存。
/********************************
File name : fbtools.h
*/
#ifndef _FBTOOLS_H_
#define _FBTOOLS_H_
#include <linux/fb.h>
//a framebuffer device structure;
typedef struct fbdev{
int fb;
unsigned long fb_mem_offset;
unsigned long fb_mem;
struct fb_fix_screeninfo fb_fix;
struct fb_var_screeninfo fb_var;
char dev[20];
} FBDEV, *PFBDEV;
//open & init a frame buffer
//to use this function,
//you must set FBDEV.dev="/dev/fb0"
//or "/dev/fbX"
//it's your frame buffer.
int fb_open(PFBDEV pFbdev);
//close a frame buffer
int fb_close(PFBDEV pFbdev);
//get display depth
int get_display_depth(PFBDEV pFbdev);
//full screen clear
void fb_memset(void *addr, int c, size_t len);
#endif
/******************
File name : fbtools.c
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <asm/page.h>
#include "fbtools.h"
#define TRUE 1
#define FALSE 0
//open & init a frame buffer
int fb_open(PFBDEV pFbdev)
{
pFbdev->fb = open(pFbdev->dev, O_RDWR);
if(pFbdev->fb < 0)
{
printf("Error opening %s: %m. Check kernel config\n", pFbdev->dev);
return FALSE;
}
if (-1 == ioctl(pFbdev->fb,FBIOGET_VSCREENINFO,&(pFbdev->fb_var)))
{
printf("ioctl FBIOGET_VSCREENINFO\n");
return FALSE;
}
if (-1 == ioctl(pFbdev->fb,FBIOGET_FSCREENINFO,&(pFbdev->fb_fix)))
{
printf("ioctl FBIOGET_FSCREENINFO\n");
return FALSE;
}
//map physics address to virtual address
pFbdev->fb_mem_offset = (unsigned long)(pFbdev->fb_fix.smem_start) & (~PAGE_MASK);
pFbdev->fb_mem = (unsigned long int)mmap(NULL, pFbdev->fb_fix.smem_len + pFbdev->fb_mem_offset, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, pFbdev->fb, 0);
if (-1L == (long) pFbdev->fb_mem)
{
printf("mmap error! mem:%d offset:%d\n", pFbdev->fb_mem, pFbdev->fb_mem_offset);
return FALSE;
}
return TRUE;
}
//close frame buffer
int fb_close(PFBDEV pFbdev)
{
close(pFbdev->fb);
pFbdev->fb=-1;
}
//get display depth
int get_display_depth(PFBDEV pFbdev);
{
if(pFbdev->fb<=0)
{
printf("fb device not open, open it first\n");
return FALSE;
}
return pFbdev->fb_var.bits_per_pixel;
}
//full screen clear
void fb_memset (void *addr, int c, size_t len)
{
memset(addr, c, len);
}
//use by test
#define DEBUG
#ifdef DEBUG
main()
{
FBDEV fbdev;
memset(&fbdev, 0, sizeof(FBDEV));
strcpy(fbdev.dev, "/dev/fb0");
if(fb_open(&fbdev)==FALSE)
{
printf("open frame buffer error\n");
return;
}
fb_memset(fbdev.fb_mem + fbdev.fb_mem_offset, 0, fbdev.fb_fix.smem_len);
fb_close(&fbdev);
}