ARM-驱动-09-LCD FrameBuffer

一、核心概念：Frame Buffer 是什么

裸机 vs Linux 的显示方式

方式	做法
裸机	直接向 LCD 控制器物理地址（如 `0x56000000`）写像素数据
Linux	通过 `/dev/fb0` 设备，用 `mmap` 映射显存到用户空间，再写虚拟地址

Linux 的内存保护机制禁止应用层直接访问物理地址，Frame Buffer 就是内核提供的合法通道。

mmap 的本质

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open("/dev/fb0")
    ↓
mmap()   →   用户空间拿到虚拟地址指针 p_mem
    ↓
写 p_mem   →   内核页表   →   真实显存物理地址   →   LCD 自动刷新

用 mmap 之后，写内存 = 写屏幕，不需要任何驱动调用，效率极高。

二、初始化流程（三步固定写法）

代码（来自 pro1/framebuffer.c 的 fb_init）

c 复制代码

int fb_init(void)
{
    // 第一步：打开设备
    int fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);

    // 第二步：获取屏幕参数
    ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &info);

    // 第三步：映射显存
    int len = info.xres_virtual * info.yres_virtual * info.bits_per_pixel / 8;
    pfb = (unsigned char *)mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
}

关键参数说明（fb_var_screeninfo 结构体）

字段	含义	例子
`xres` / `yres`	屏幕实际可见分辨率	800 / 600
`xres_virtual` / `yres_virtual`	显存虚拟分辨率（通常更大）	1024 / 600
`bits_per_pixel`	每个像素占多少位	32

为什么要用 xres_virtual 而不是 xres？

显存实际宽度是 xres_virtual，不是屏幕可见宽度 xres。用错了偏移计算就会错位。

两个地方必须用 xres_virtual：① mmap 大小计算；② 像素偏移计算。

退出时释放

c 复制代码

void fb_deinit(void)
{
    munmap(pfb, len);
    close(fd_fb);
}

三、画点------所有绘图的基础

代码（pro1/framebuffer.c）

c 复制代码

void draw_point(unsigned short x, unsigned short y, unsigned int col)
{
    if ((x > info.xres_virtual) || (y > info.yres_virtual))
        return;   // 越界保护
    unsigned int *p = (unsigned int *)(pfb + (y * info.xres_virtual + x)
                                       * info.bits_per_pixel / 8);
    *p = col;
}

偏移公式推导

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显存是一维内存，按行存储：
第 0 行：像素(0,0) (1,0) (2,0) ... (xres_virtual-1, 0)
第 1 行：像素(0,1) (1,1) ...

像素(x, y) 的字节偏移 = (y × xres_virtual + x) × (bits_per_pixel / 8)
                                                  ↑
                                              把位转成字节，32位色 = 4字节

颜色格式（32位 ARGB）

c 复制代码

0xFF0000   // 红色
0x00FF00   // 绿色
0x0000FF   // 蓝色
0xFFFFFF   // 白色
0x000000   // 黑色
0xFFFF00   // 黄色

四、想换背景色怎么做

用 lcd_fill 填充整个屏幕

c 复制代码

// 把屏幕全部填成黑色（用来清屏）
lcd_fill(0, 0, 799, 599, 0x000000);

// 把屏幕全部填成白色
lcd_fill(0, 0, 799, 599, 0xFFFFFF);

// 函数原型（来自 framebuffer.h）
void lcd_fill(unsigned short x0, unsigned short y0,
              unsigned short x1, unsigned short y1,
              unsigned int color);

用 draw_bmp 显示图片背景（来自 mouse.c）

c 复制代码

// 把 bg.bmp 从 (0,0) 开始铺满屏幕
draw_bmp(0, 0, "./bg.bmp");

典型用法：切换背景时先清屏再画

c 复制代码

// main.c 里的写法
lcd_fill(0, 0, 799, 599, 0xffff);       // 先清屏
lcd_show_string(100, 200, 200, 50, 32, "hello", 0xffffff);  // 再显示文字
sleep(3);
lcd_fill(0, 0, 799, 599, 0xffff);       // 清屏（换背景）
lcd_show_string(100, 200, 200, 50, 32, "abcde", 0xffffff);  // 显示新内容

五、想显示字符串怎么做

函数原型（framebuffer.h）

c 复制代码

void lcd_show_string(unsigned short x,       // 起始 X 坐标
                     unsigned short y,       // 起始 Y 坐标
                     unsigned short width,   // 显示区域宽度（超出自动换行）
                     unsigned short height,  // 显示区域高度（超出截断）
                     unsigned char size,     // 字体大小：12/16/24/32
                     char *p,               // 字符串内容
                     unsigned int col);      // 字体颜色

示例

c 复制代码

// 在 (100, 100) 位置显示 "hello"，字体 16，白色
lcd_show_string(100, 100, 200, 50, 16, "hello", 0xffffff);

// 在 (100, 200) 位置显示 "world"，字体 32，红色
lcd_show_string(100, 200, 200, 50, 32, "world", 0xff0000);

字体大小对应像素

size	字宽	字高	适用场景
12	6px	12px	小字，密集信息
16	8px	16px	普通正文
24	12px	24px	标题
32	16px	32px	大标题

注意：字符堆叠问题

连续显示不同字符串时，如果不清屏，新字符串会和旧字符串叠在一起。原因是 lcd_showchar 里只画"有笔画"的点，不画背景。

解决方法：显示前先用 lcd_fill 清屏 （或用 copy_mem 局部恢复背景，见第七节）。

六、想显示图片怎么做

版本一：简单版（fb/fb.c，硬编码尺寸 120×120）

c 复制代码

int draw_bmp(int x0, int y0, const char *bmp_name)
{
    int fd = open(bmp_name, O_RDWR);
    unsigned char head[54] = {0};
    read(fd, head, sizeof(head));       // 跳过 54 字节 BMP 文件头

    for (j = 0; j < 120; j++) {
        for (i = 0; i < 120; i++) {
            unsigned char c[3] = {0};
            read(fd, c, sizeof(c));
            // BMP 存储顺序是 BGR，转换为 RGB
            unsigned int col = (c[2] << 16) | (c[1] << 8) | c[0];
            draw_point(i + x0, 120 - j - 1 + y0, col); // BMP 是倒序，需要翻转
        }
    }
}

// 调用：把图片显示在 (679, 0)
draw_bmp(679, 0, "./123.bmp");

版本二：通用版（mouse.c，自动读取宽高）

c 复制代码

// 解析 BMP 文件头，自动获取图片宽高
BitMapFileHeader file_head;
BitMapInfoHeader info_head;
read(fd, &file_head, sizeof file_head);
read(fd, &info_head, sizeof info_head);

// info_head.biWidth  → 图片宽度
// info_head.biHeight → 图片高度（正数 = 倒序存储）

BMP 文件头结构

c 复制代码

// 文件头 14 字节
typedef struct {
    unsigned char  bfType[2];    // "BM" 标识
    unsigned int   bfSize;       // 文件总大小
    unsigned short bfReserved1;  // 保留，必须为 0
    unsigned short bfReserved2;  // 保留，必须为 0
    unsigned int   bfOffBits;    // 像素数据相对文件头的偏移量
} BitMapFileHeader;              // 共 14 字节（需 #pragma pack(1)）

// 信息头 40 字节
typedef struct {
    unsigned int   biSize;       // 信息头大小（40）
    int            biWidth;      // 图片宽度（像素）
    int            biHeight;     // 图片高度，正数=倒序存储，负数=正序
    unsigned short biPlanes;     // 位面数，恒为 1
    unsigned short biBitCount;   // 每像素位数：24=RGB，32=ARGB
    unsigned int   biCompression;// 压缩类型：0=不压缩
    ...
} BitMapInfoHeader;

为什么 BMP 是上下颠倒的？

BMP 标准规定图像数据从底部向上存储（最后一行数据在文件最前面），所以显示时需要 height - j - 1 翻转 y 坐标。

七、想显示鼠标并让鼠标移动怎么做

核心思路：移动前先恢复背景

鼠标移动 = 在新位置画鼠标图片，但旧位置的鼠标覆盖了背景，需要先恢复。

复制代码

每次移动：
① copy_mem(旧x, 旧y, 16, 16)  ← 从 p_save 恢复旧位置的背景
② draw_bmp(新x, 新y, mouse.bmp) ← 在新位置画鼠标

save_fb 和 copy_mem（来自 mouse.c）

c 复制代码

// save_fb：把当前整个显存复制到 p_save（程序开始时调用一次）
int save_fb()
{
    unsigned int *pdst = (unsigned int *)p_save;
    unsigned int *psrc = (unsigned int *)p_mem;
    for (j = 0; j < info.yres_virtual; j++)
        for (i = 0; i < info.xres_virtual; i++)
            *pdst++ = *psrc++;
}

// copy_mem：从 p_save 把指定矩形区域恢复到 p_mem（每次移动前调用）
int copy_mem(int x0, int y0, int w, int h)
{
    for (j = y0; j < y0 + h; j++)
        for (i = x0; i < x0 + w; i++)
            *(pdst + j * xres_virtual + i) = *(psrc + j * xres_virtual + i);
}

内存分配（fb_init 里额外 malloc）

c 复制代码

// p_save 是额外分配的内存，和显存等大，用来保存背景快照
p_save = malloc(info.xres_virtual * info.yres_virtual * info.bits_per_pixel / 8);

读取鼠标坐标（来自 mouse.c，使用绝对坐标设备）

c 复制代码

int fd = open("/dev/input/event2", O_RDWR);  // 触摸屏/绝对鼠标

struct input_event event;
read(fd, &event, sizeof event);

if (event.type == EV_ABS) {
    if (event.code == ABS_X)
        x = event.value / 65535.0 * 800;   // 原始值 0~65535 → 屏幕 0~800
    else if (event.code == ABS_Y)
        y = event.value / 65535.0 * 600;   // 原始值 0~65535 → 屏幕 0~600
}

读取相对鼠标（来自 fb/main.c，使用 /dev/input/mice）

c 复制代码

int fd = open("/dev/input/mice", O_RDWR);

char data[3] = {0};
read(fd, data, 3);
// data[0]：按键状态（9=左键按下，10=右键按下，8=左键松开）
// data[1]：X 轴位移（有符号，负=向左）
// data[2]：Y 轴位移（有符号，负=向上）

x += data[1];   // 累加位移
y += data[2];
if (x < 0) x = 0;    // 边界保护
if (x > 799) x = 799;

注意：save_fb 的局限性

save_fb 只保存调用那一刻的画面。如果之后又画了字符串，再 copy_mem 会把字符串也擦掉，因为快照里没有这些字符串。全屏重绘（清屏 + 重画所有内容）是最简单但效率最低的解决方案。

八、基本图形绘制（pro1/framebuffer.c）

函数速查表

函数	用途	参数
`lcd_fill(x0,y0,x1,y1,col)`	填充矩形区域	左上角、右下角坐标、颜色
`lcd_drawline(x1,y1,x2,y2,col)`	画直线	起点、终点坐标、颜色
`lcd_draw_rectangle(x1,y1,x2,y2,col)`	画矩形边框	左上角、右下角坐标、颜色
`lcd_draw_Circle(x0,y0,r,col)`	画圆形边框	圆心坐标、半径、颜色
`lcd_showchar(x,y,ch,size,mode,col)`	显示单个字符	坐标、字符、大小、叠加模式、颜色
`lcd_show_string(x,y,w,h,size,str,col)`	显示字符串	坐标、区域宽高、大小、内容、颜色
`lcd_shownum(x,y,num,len,size,col)`	显示整数（高位0不显示）	坐标、数值、位数、大小、颜色
`lcd_showxnum(x,y,num,len,size,mode,col)`	显示整数（可控制高位0）	同上+模式

lcd_showchar 的 mode 参数

c 复制代码

mode = 0;   // 非叠加：背景色为黑色（字符区域黑底）
mode = 1;   // 叠加：背景透明，只画有笔画的点，不覆盖底色

九、三色条纹测试（最简单的全屏渲染，验证 FB 是否工作）

来自 pro1/main.c 的 DEBUG 版本，验证 Frame Buffer 初始化是否正常：

c 复制代码

for (j = 0; j < info.yres; j++) {
    for (i = 0; i < info.xres; i++) {
        if (j < info.yres / 3)
            draw_point(i, j, 0xff);         // 上 1/3：蓝色
        else if (j < info.yres * 2 / 3)
            draw_point(i, j, 0xff00);       // 中 1/3：绿色
        else
            draw_point(i, j, 0xff0000);     // 下 1/3：红色
    }
}

十、编译运行

bash 复制代码

# PC 上测试（需要 root 权限，Ctrl+Alt+F2 切到纯文本终端）
gcc fb.c -o fb_test
sudo ./fb_test

# 交叉编译（开发板运行）
arm-linux-gnueabihf-gcc fb.c -o fb_test
# 传到开发板，直接运行（开发板不需要切终端）
./fb_test

# pro1 多文件编译
arm-linux-gnueabihf-gcc main.c framebuffer.c -o main

PC 运行注意 ：图形界面（X11/Wayland）独占显存，必须先 Ctrl+Alt+F2 切换到 TTY 纯文本终端后再运行，否则没有效果或权限报错。

十一、常见问题

问题	原因	解决
运行没有任何显示	在图形界面下运行	`Ctrl+Alt+F2` 切换到 TTY
颜色显示不对	bpp 不是 32，颜色格式不同	用 `ioctl` 查看 `bits_per_pixel`，RGB565 需要位操作转换
图片显示上下颠倒	忘记翻转 y 坐标	用 `height - j - 1 + y0` 代替 `j + y0`
图片颜色偏	BMP 是 BGR 存储，直接用成了 RGB	用 `(c[2]<<16)
字符显示堆叠	没清屏就切换内容	显示前先调用 `lcd_fill` 清屏
鼠标移动有残影	没有恢复旧位置背景	移动前先调用 `copy_mem` 恢复背景