Linux 下framebuffer 帧缓冲的使用
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。
帧缓冲设备为标准的字符型设备,在Linux中主设备号29,定义在/include/linux/major.h中的FB_MAJOR,次设备号定义帧缓冲的个数,最大允许有32个FrameBuffer,定义在/include/linux/fb.h中的FB_MAX,对应于文件系统下/dev/fb%d设备文件,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。
典型的显示机制如图所示:
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。
(1) 在应用程序中,操作/dev/fbn的一般步骤如下:
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。
(5) 使用完帧缓冲设备后需要将其释放。
(6) 关闭文件。
fb的控制
ioctl来用各种命令控制fb,控制的实现都定义在中。这个头文件是内核源码中的,由于交叉编译器中将其包含了,所以我们可以在应用层直接调用。
,里面定义了一些ioctl的命令
/*ioctls
0x46is 'F' */
#defineFBIOGET_VSCREENINFO 0x4600
#defineFBIOPUT_VSCREENINFO 0x4601
#defineFBIOGET_FSCREENINFO 0x4602
#defineFBIOGETCMAP 0x4604
#defineFBIOPUTCMAP 0x4605
#defineFBIOPAN_DISPLAY 0x4606
我们主要使用FBIOGET_VSCREENINFO和FBIOGET_FSCREENINFO 命令。从字面意思我们不难看出,这两个命令的意思分别为
fb’sioctl, to get variable screen info:获取应用程序可改变的参数(如设定的分辨率)
fb’sioctl, to get fixed screen info:获取固定的参数(如屏幕的分辨率,一般只是拿来看看)
中还提供了专门的结构体类型,用来存放上述两个参数。
存放可变参数的结构体类型:structfb_var_screeninfo,其详细定义参照“相关结构体”部分。
比较重要的可变参数有:
xres、yres:可视画面的x、y轴分辨率(应用层改不了)
xres_virtual、yres_virtual:虚拟画面(即fb)x、y轴分辨率
xoffset、yoffset:可视画面相对于虚拟画面的x、y轴偏移量
bits_per_pixel:像素深度
虚拟画面一般会被默认设为(不一定的)可视画面的两倍,这种结构被称之为“双缓冲机制”,这样做的好处是可以一边显示,一边缓冲下一幅画面 。
相关结构体
相关结构体及其关系为:
fb_var_screeninfo
这个结构描述了显示卡的特性。
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- 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 */
- };
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。
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- 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 */
- };
fb_ops
用户应用可以使用ioctl()系统调用来操作设备,这个结构就是用以支持ioctl()的这些操作的。
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- struct fb_ops {
- /* open/release and usage marking */
- struct module *owner;
- int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);
- int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);
- /* get non settable parameters */
- int (*fb_get_fix)(struct fb_fix_screeninfo *fix, int con,
- struct fb_info *info);
- /* get settable parameters */
- int (*fb_get_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con,
- struct fb_info *info);
- /* set settable parameters */
- int (*fb_set_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con,
- struct fb_info *info);
- /* get colormap */
- int (*fb_get_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con,
- struct fb_info *info);
- /* set colormap */
- int (*fb_set_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con,
- struct fb_info *info);
- /* pan display (optional) */
- int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, int con,
- struct fb_info *info);
- /* perform fb specific ioctl (optional) */
- int (*fb_ioctl)(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd,
- unsigned long arg, int con, struct fb_info *info);
- /* perform fb specific mmap */
- int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct file *file, struct
- vm_area_struct *vma);
- /* switch to/from raster image mode */
- int (*fb_rasterimg)(struct fb_info *info, int start);
- };
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。
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- 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 */
- }
fb_info
定义当显卡的当前状态;fb_info结构仅在内核中可见,在这个结构中有一个fb_ops指针,指向驱动设备工作所需的函数集。
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- struct fb_info {
- char modename[40]; /* default video mode */
- kdev_t node;
- int flags;
- int open; /* Has this been open already ? */
- #define FBINFO_FLAG_MODULE 1 /* Low-level driver is a module */
- struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */
- struct fb_fix_screeninfo fix; /* Current fix */
- struct fb_monspecs monspecs; /* Current Monitor specs */
- struct fb_cmap cmap; /* Current cmap */
- struct fb_ops *fbops;
- char *screen_base; /* Virtual address */
- struct display *disp; /* initial display variable */
- struct vc_data *display_fg; /* Console visible on this display */
- char fontname[40]; /* default font name */
- devfs_handle_t devfs_handle; /* Devfs handle for new name */
- devfs_handle_t devfs_lhandle; /* Devfs handle for compat. symlink */
- int (*changevar)(int); /* tell console var has changed */
- int (*switch_con)(int, struct fb_info*);
- /* tell fb to switch consoles */
- int (*updatevar)(int, struct fb_info*);
- /* tell fb to update the vars */
- void (*blank)(int, struct fb_info*); /* tell fb to (un)blank the screen */
- /* arg = 0: unblank */
- /* arg > 0: VESA level (arg-1) */
- void *pseudo_palette; /* Fake palette of 16 colors and
- the cursor's color for non
- palette mode */
- /* From here on everything is device dependent */
- void *par;
- };
使用实例
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- #include <stdio.h>
- #include <sys/stat.h>
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/ioctl.h>
- #include <fcntl.h>
- #include <linux/fb.h>
- #include <sys/mman.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <unistd.h>
- #define FBDEVICE "/dev/fb0"
- void draw_back(unsigned int *pfb, unsigned int width, unsigned int height, unsigned int color);
- void draw_line(unsigned int *pfb, unsigned int width, unsigned int height);
- int main(void)
- {
- int fd = -1;
- int ret = -1;
- unsigned int *pfb = NULL;
- struct fb_fix_screeninfo finfo;
- struct fb_var_screeninfo vinfo;
- fd = open(FBDEVICE, O_RDWR);
- if (fd < 0)
- {
- perror("open");
- return -1;
- }
- printf("open %s success \n", FBDEVICE);
-
- ret = ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);
- if (ret < 0)
- {
- perror("ioctl");
- return -1;
- }
- ret = ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);
- if (ret < 0)
- {
- perror("ioctl");
- return -1;
- }
-
- pfb = (unsigned int *)mmap(NULL, finfo.smem_len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
- if (NULL == pfb)
- {
- perror("mmap");
- return -1;
- }
- printf("pfb :0x%x \n", *pfb);
- draw_back(pfb, vinfo.xres_virtual, vinfo.yres_virtual, 0xffff0000);
- draw_line(pfb, vinfo.xres_virtual, vinfo.yres_virtual);
- close(fd);
- return 0;
- }
- void draw_back(unsigned int *pfb, unsigned int width, unsigned int height, unsigned int color)
- {
- unsigned int x, y;
- for (y = 0; y < height; y++)
- {
- for (x = 0; x < width; x++)
- {
- *(pfb + y * width + x) = color;
- }
- }
- }
- void draw_line(unsigned int *pfb, unsigned int width, unsigned int height)
- {
- unsigned int x, y;
- for (x = 50; x < width - 50; x++)
- {
- *(pfb + 50 * width + x) = 0xffffff00;
- }
- for (y = 50; y < height -50; y++)
- {
- *(pfb + y * width + 50) = 0xffffff00;
- }
- }
厚积薄发,不负年华。