Framebuffer 介绍和应用编程

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 <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

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 <sys/ioctl.h>

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 <sys/mman.h>

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：

cpp 复制代码

#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;	
}

1.打开设备

首先打开设备节点:

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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