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Framebuffer学习

news 2025/6/26 9:24:05

1. Framebuffer概念

Framebuffer，可以译作“帧缓冲”，有时简称为fbdrv，是一种在Linux系统中广泛使用的图形设备接口。

Framebuffer是一个视频输出设备，它从包含完整帧数据的一个内存缓冲区中驱动视频显示设备。简而言之，它是Linux内核为显示设备提供的一个接口，将显存抽象化后，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。这种机制屏蔽了图像硬件的底层差异，使得上层应用不必关心物理显存的具体位置和存放方式。

Framebuffer 通常由以下几个部分组成：

Framebuffer 设备文件：在 Linux 系统中，Framebuffer 设备通常以 /dev/fb0、/dev/fb1 等形式存在。应用程序可以通过这些设备文件来访问和控制 framebuffer。
Framebuffer 内存：Framebuffer 内存是一块连续的物理内存区域，用于存储像素数据。每个像素在内存中占用一定的位数（例如 8 位、16 位、24 位或 32 位），具体取决于显示模式。
显示控制器：负责将 framebuffer 中的数据传输到显示器上。显示控制器可以是硬件的一部分，也可以是软件模拟的。

2. 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。

LCD操作原理：

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。
APP使用ioctl获得LCD分辨率、BPP。
APP通过mmap映射Framebuffer，在Framebuffer中写入数据。

在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述

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

颜色是用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，一般有3中表示颜色的方式：

在这里插入图片描述

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。

3. 源码分析

在IM6ULL开发板上操作LCD像素点的源码：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>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;	
}

操作LCD的步骤大致分为：

打开设备
获取LCD参数
映射Framebuffer
描点

3.1 打开设备

在 Linux 系统中，Framebuffer 设备通常以 /dev/fb0、/dev/fb1 等形式存在。因此打开/dev/fb0设备：

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 }

open函数

在这里插入图片描述

函数原型：

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

参数说明：

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种方式：
- 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，失败返回-1。

3.2 获取LCD参数

参考fb.h文件中，Framebuffer主要定义了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，可以用FBIOGET_VSCREENINFO来读出这些信息，同样也可以使用FBIOPUT_VSCREENINFO来设置或调整这些参数，一般很少会设置或调整：

在这里插入图片描述

对于固定的参数fb_fix_screeninfo，在应用编程中很少用到，可以使用ioctl的FBIOGET_FSCREENINFO来读出这些信息：

在这里插入图片描述

获取fb_var_screeninfo信息：

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 }

将获取到的fb_var_screeninfo信息保存到var变量中：

在这里插入图片描述

ioctl函数

在这里插入图片描述

函数原型：

int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

参数说明：

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。

3.3 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：

85 line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8; /* 一行有多少个字节（一行宽度） */
86 pixel_width = var.bits_per_pixel / 8; /* 一个像素点占多少个字节（一个像素点宽度） */
87 screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8; /* 整个屏幕占多少字节 */
88 fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
89 if (fb_base == (unsigned char *)-1)
90 {
91 		printf("can't mmap\n");
92 		return -1;
93 }

mmap函数

在这里插入图片描述

函数原型：

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

参数说明：

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。
offset：文件或设备中的偏移量，映射区域将从该偏移量开始。偏移量必须是页面大小的整数倍。
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。

3.4 描点实现

在LCD上描绘指定像素后，就可以写字、画图，描点函数是基础：

28 void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color) /* 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。 */
29 {
30 		unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width; /* 计算(x,y)坐标上像素对应的Framebuffer地址。 */
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; /* 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。 */
44 				break;
45 			}
46 			case 16:
47 			{
48 				/* 565 */
49 				red = (color >> 16) & 0xff; /* 先从color变量中把R、G、B抽出来。 */
50 				green = (color >> 8) & 0xff;
51 				blue = (color >> 0) & 0xff;
52 				color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3); /* 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。 */
53 				*pen_16 = color; /* 把新的16位颜色值写入Framebuffer。 */
54 				break;
55 			}
56 			case 32:
57 			{
58 				*pen_32 = color; /* 对于32bpp，颜色格式跟color参数一致，可以直接写入Framebuffer。 */
59 				break;
60 			}
61 			default:
62 			{
63 				printf("can't surport %dbpp\n",var.bits_per_pixel);
64 				break;
65 			}
66 		}
67 }

最终在main函数中调用描点函数画一条红色的线：

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);