帧缓冲设备（framebuffer）

帧缓冲设备(framebuffer.txt译文)
维护： Geert Uytterhoeven <[email protected]>
最后校正：   May 10, 2001
翻译：[email protected]

0. 介绍

帧缓冲设备提供了显卡的抽象描述。他同时代表了显卡上的显存，应用程序通过定义好的接口可以访问显卡，而不需要知道底层的任何操作。该设备使用特殊的设备节点，通常位于/dev目录，如/dev/fb*.

1. 用户角度的/dev/fb*
从用户的角度看，帧缓冲设备和其他位于/dev下面的设备类似。他是一个字符设备，通常主设备号是29，次设备号定义帧缓冲的个数。
通常，使用如下方式（前面的数字代码次设备号）

        0 = /dev/fb0    First frame buffer
        1 = /dev/fb1    Second frame buffer
      ...
        31 = /dev/fb31  32nd frame buffer  
考虑到向下兼容，你可以创建符号链接：
      /dev/fb0current -> fb0
      /dev/fb1current -> fb1
and so on...
帧缓冲设备也是一种普通的内存设备，你可以读写其内容。例如，对屏幕抓屏：
     cp /dev/fb0 myfile
你也可以同时有多个显示设备，例如你的主板上出了内置的显卡还有另一独立的显卡。对应的帧缓冲设备(/dev/fb0 and /dev/fb1 etc.)可以独立工作。
应用程序如 X server一般使用/dev/fb0作为默认的显示帧缓冲区。你可以自定把某个设备作为默认的帧缓冲设备，设置$FRAMEBUFFER环境变量即可。在sh/bash：
    export FRAMEBUFFER=/dev/fb1
在csh中：
    setenv FRAMEBUFFER /dev/fb1
设定后，X server将使用第二个帧缓冲区设备。
2. 程序员角度看/dev/fb*
正如你所知，一个帧缓冲设备和内存设备类似/dev/mem，并且有许多共性。你可以read,write,seek以及mmap()。不同仅仅是帧缓冲的内存不是所有的内存区，而是显卡专用的那部分内存。/dev/fb*也允许尽行ioctl操作，通过ioctl可以读取或设定设备参数。颜色映射表也是通过Ioctl设定。查看<linux/fb.h>就知道有多少ioctl应用以及相关数据结构。
这里给出摘要：
  - 你可以获取设备一些不变的信息，如设备名，屏幕的组织（平面，象素,...)对应内存区    的长度和起始地址。
  - 也可以获取能够发生变化的信息，例如位深，颜色格式，时序等。如果你改变这些值，    驱动程序将对值进行优化，以满足设备特性（返回EINVAL，如果你的设定，设备不支持）
  - 你也可以获取或设定部分颜色表。 
所有这些特性让应用程序十分容易的使用设备。X server可以使用/dev/fb*而不需知道硬件的寄存器是如何组织的。 XF68_FBDev是一个用于位映射（单色）X server，唯一要做的就是在应用程序在相应的位置设定是否显示。在新内核中，帧缓冲设备可以工作于模块中，允许动态加载。这类驱动必须调用register_framebuffer()在系统中注册。使用模块更方便！
3. 帧缓冲分辨率设定
帧缓冲的分辨率可以用工具fbset设定。他可以改变视频设备的显示模式。主要就是改变当前视频模式，如在启动过程中，在/etc/rc.* 或 /etc/init.d/* 文件中调用，可以把视频模式从单色显示变成真彩。fbset使用存储在配置文件中的视频模式数据表，你可以在文件中增加自己需要的显示模式。
4. X Server
X server (XF68_FBDev)是对帧缓冲设备的最主要应用。从XFree86  3.2后，X server就是XFree86 的一部分了，有2个工作模式:
  - 在/etc/XF86Config文件中，如果`Display'段关于 `fbdev'的配置：
    Modes "default"
    X server 将使用前面讨论的，从环境变量$FRAMEBUFFER获取当前帧缓冲设备.
    你也可以设定颜色位深，使用Depth关键字，使用Virtual设定虚拟分辨率。这也是默认设置。
  - 然而你也可以通过设定/etc/XF86Config,改变分辨率。这样有很多灵活性，唯一的    不足就是你必须设定刷新频率。可以用fbset -x通过fbset或xvidtune切换显示模式。
5. 视频模式频率
CRT显示器是用3个电子枪轰击磷粉完成颜色的显示的。电子枪从左到右的水平扫描，并从上至下的垂直扫描。通过改变枪的电压，所显示的颜色可以不同。当电子枪完成一行扫描重新回到下一行的开始，被称作“水平折回”。当一屏幕全部扫描完毕，电子枪将回到最左上脚，被成为“垂直折回”。在折回的途中电子枪是关闭的。电子枪打点的移动速度取决于点时钟。如果点时钟是 28.37516 MHz，打一个点需要35242 ps。
    1/(28.37516E6 Hz) = 35.242E-9 s
如果屏幕分辨率是640x480，那么一行的时间是：
        640*35.242E-9 s = 22.555E-6 s
然而水平折回也是需要时间的，通常272个打点时间，因此一行总共需要：
        (640+272)*35.242E-9 s = 32.141E-6 s
我们就认为水平扫描的频率是31KHz：      
        1/(32.141E-6 s) = 31.113E3 Hz
一屏幕含有480行，加上垂直折回时间49，一屏所需的时间：
        (480+49)*32.141E-6 s = 17.002E-3 s
我们就认为垂直扫描的频率是59Hz：
        1/(17.002E-3 s) = 58.815 Hz
这也意味着屏幕数据每秒钟刷新59次。为了得到稳定的图像显示效果，VESA垂直扫描频率不低于72Hz。但是也因人而异，有些人50Hz感觉不到任何问题，有些至少在80Hz以上才可以。由于显示器不知道什么时候新行开始扫描，显卡为每一行扫描提供水平同步信号。类似的，他也为每一帧显示提供垂直同步信号。图像在屏幕上点的位置取决于这些同步信号的发生时刻。下图给出了所有时序的概要。水平折回的时间就是左边空白＋右边空白＋水平同步长度。垂直折回的时间就是上空白＋下空白＋垂直同步长。 

6. 把XFree86时序变成frame buffer device时序
典型的显示模式：
  "800x600"     50      800  856  976 1040    600  637  643  666
< name >     DCF       HR  SH1  SH2  HFL     VR  SV1  SV2  VFL  
而帧缓冲设备使用下面的参数：
  - pixclock: 点时钟 in ps (pico seconds)
  - left_margin: time from sync to picture
  - right_margin: time from picture to sync
  - upper_margin: time from sync to picture
  - lower_margin: time from picture to sync
  - hsync_len: length of horizontal sync
  - vsync_len: length of vertical sync
1) Pixelclock:
   xfree: in MHz
   fb: in picoseconds (ps)
   pixclock = 1000000 / DCF

2) horizontal timings:
   left_margin = HFL - SH2
   right_margin = SH1 - HR
   hsync_len = SH2 - SH1

3) vertical timings:
   upper_margin = VFL - SV2
   lower_margin = SV1 - VR
   vsync_len = SV2 - SV1
更好的VESA的例子可以在XFree86的源码中找到，"xc/programs/Xserver/hw/xfree86/doc/modeDB.txt".
7.  引用
获取更多关于帧缓冲设备以及应用的参考，请访问：    http://linux-fbdev.sourceforge.net/  或者查阅下面的文档：
  - The manual pages for fbset: fbset(8), fb.modes(5)
  - The manual pages for XFree86: XF68_FBDev(1), XF86Config(4/5)
  - The mighty kernel sources:
      o linux/drivers/video/
      o linux/include/linux/fb.h
      o linux/include/video/