Linux下的帧缓冲lcd应用编程及Framebuffer驱动程序模型

一、Linux的帧缓冲设备

帧缓冲（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。

帧缓冲设备对应的设备文件为/dev/fb*，如果系统有多个显示卡，Linux 下还可支持多个帧缓冲设备，最多可达 32 个，分别为/dev/fb0 到/dev/fb31，而/dev/fb 则为当前缺省的帧缓冲设备，通常指向/dev/fb0。当然在嵌入式系统中支持一个显示设备就够了。帧缓冲设备为标准字符设备，主设备号为29，次设备号则从0到31。分别对应/dev/fb0-/dev/fb31。

通过/dev/fb，应用程序的操作主要有这几种：

1．读/写（read/write）/dev/fb：相当于读/写屏幕缓冲区。例如用 cp /dev/fb0 tmp 命令可将当前屏幕的内容拷贝到一个文件中，而命令 cp tmp > /dev/fb0 则将图形文件tmp直接显示在屏幕上。

2．映射（map）操作：由于 Linux 工作在保护模式，每个应用程序都有自己的虚拟地址空间，在应用程序中是不能直接访问物理缓冲区地址的。为此，Linux 在文件操作 file_operations 结构中提供了 mmap 函数，可将文件的内容映射到用户空间。对于帧缓冲设备，则可通过映射操作，可将屏幕缓冲区的物理地址映射到用户空间的一段虚拟地址中，之后用户就可以通过读写这段虚拟地址访问屏幕缓冲区，在屏幕上绘图了。

3．I/O控制：对于帧缓冲设备，对设备文件的 ioctl操作可读取/设置显示设备及屏幕的参数，如分辨率，显示颜色数，屏幕大小等等。ioctl 的操作是由底层的驱动程序来完成的。

 

在应用程序中，操作/dev/fb的一般步骤如下：

1．打开/dev/fb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．将屏幕缓冲区映射到用户空间（mmap）。

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。

典型程序段如下：

 

#include <linux/fb.h>
int main()
{
int fbfd = 0;
struct fb_var_screeninfo vinfo;
struct fb_fix_screeninfo finfo;
long int screensize = 0;
/*打开设备文件*/
fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
/*取得屏幕相关参数*/
ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);
ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);
/*计算屏幕缓冲区大小*/
screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;
/*映射屏幕缓冲区到用户地址空间*/
fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0);
/*下面可通过 fbp指针读写缓冲区*/
……
/*释放缓冲区，关闭设备*/
munmap(fbp, screensize);
close(fbfd);
}

二、ioctl操作

ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)

获取fb_var_screeninfo结构的信息，在linux/include/linux/fb.h定义。

ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)

获取fb_fix_screeninfon结构的信息。在linux/include/linux/fb.h定义。

fbfd为设备文件号。

三．mmap函数

功能描述：

mmap函数是unix/linux下的系统调用

mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作，删除特定地址区域的对象映射。

基于文件的映射，在mmap和munmap执行过程的任何时刻，被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在前述的情况下没有得到更新，首次对映射区的第一个页索引时会更新该字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED标志建立起来的文件映射，其st_ctime 和 st_mtime

在对映射区写入之后，但在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新。

用法：

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,
int fd, off_t offset);
int munmap(void *start, size_t length); 

参数：

start：映射区的开始地址。

length：映射区的长度。

prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起

PROT_EXEC //页内容可以被执行

PROT_READ //页内容可以被读取

PROT_WRITE //页可以被写入

PROT_NONE //页不可访问

flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体

MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。

MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。

MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。

MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。

MAP_EXECUTABLE //同上

MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。

MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。

MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。

MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。

MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。

MAP_FILE //兼容标志，被忽略。

MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。

MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。

MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。

fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。

offset：被映射对象内容的起点。

 

返回说明：

成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值

EACCES：访问出错

EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定

EBADF：fd不是有效的文件描述词

EINVAL：一个或者多个参数无效

ENFILE：已达到系统对打开文件的限制

ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射

ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量

EPERM：权能不足，操作不允许

ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志

SIGSEGV：试着向只读区写入

SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区

 

四、编程实例：

内核：linux-2.6.29.1

目标板：友善之臂mini2440

arm-linux-gcc-4.3.2

 下载 

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Framebuffer驱动程序模型
  下图会向你展示目前的framebuffer设备驱动的结构，最常用的是非标准驱动。很明显他所处的层次最高，程序编写是最容易的。理解了这个图的，你已经很轻松的去完成一个fb驱动，比如给sa1100,s2410,s2440系列的ARM的LCD控制器写驱动。

Color Map 剖析
在framebuffer驱动程序设计中，cmap这个东东太晕了。现在我要把他赤裸裸的剖析给大家：）
1． struct fb_cmap

/*颜色映射表*/
struct fb_cmap {
__u32 start; /* First entry */
__u32 len; /* Number of entries */
__u16 *red; /* 红色 */
__u16 *green; /*绿色*/
__u16 *blue; /*蓝色*/
__u16 *transp; /* 透明度,允许 NULL */
};

该结构在fb.h文件中定义，在struct fb_ops结构中有两个成员函数与其相关：

/*获取颜色表*/
int (*fb_get_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info);
/*设定颜色表*/
int (*fb_set_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info);

在struct fb_info结构中有变量：

struct fb_cmap cmap; /* Current cmap */

在fpgen基础操作下提供：

extern int
fbgen_get_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info);
extern int
fbgen_set_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info);

在文件/* drivers/video/fbcmap.c */中提供更多的cmap应用

 

extern int fb_alloc_cmap(struct fb_cmap *cmap, int len, int transp);
extern void fb_copy_cmap(struct fb_cmap *from, struct fb_cmap *to, int fsfromto);
extern int fb_get_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc,
int (*getcolreg)(u_int, u_int *, u_int *, u_int *,u_int *, struct fb_info *),
struct fb_info *fb_info);
extern int fb_set_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc,
int (*setcolreg)(u_int, u_int, u_int, u_int, u_int,struct fb_info *),
struct fb_info *fb_info);
extern struct fb_cmap *fb_default_cmap(int len);
extern void fb_invert_cmaps(void);

2． 通过文件解析
在anakinfb.c文件中，cmap如图


在stifb.c

本文介绍的设备是位于/video目录下面的anakinfb.c驱动程序。虽然我不清楚那个设备的特性，但是从对程序的分析中我们仍然知道如何编写一个frame buffer设备驱动。

    本文是个标准的fb驱动。共221行，包含函数如下：

static int
anakinfb_getcolreg(u_int regno, u_int *red, u_int *green, u_int *blue, u_int *transp, struct fb_info *info) 31行
static int anakinfb_setcolreg(u_int regno, u_int red, u_int green, u_int blue,u_int transp, struct fb_info *info) 45行
static int anakinfb_get_fix(struct fb_fix_screeninfo *fix, int con, struct fb_info *info) 57行
static int anakinfb_get_var(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info) 75行
static int anakinfb_set_var(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info) 111行
static int anakinfb_get_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con,
struct fb_info *info) 117行
static int anakinfb_set_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con,
struct fb_info *info) 130行
static int anakinfb_switch_con(int con, struct fb_info *info) 147行
static int anakinfb_updatevar(int con, struct fb_info *info) 155行
static void anakinfb_blank(int blank, struct fb_info *info) 161行
int __init anakinfb_init(void) 178行

函数1，2是寄存器操作用。函数3，4，5，6，7是fb_ops函数。函数8用于切换控制台。函数9用于更新变量。函数10用于闪烁屏幕。函数11用于初始化设备。
    很奇怪，对fb设备的读写函数怎么没有！值得说明的是open,release,read,write,ioctl,mmap等函数的实现是由 fbmem.c文件实现了。也就是说所有的fb设备在给定了fb_info后，所有的操作都是一样的。在明确的fb_info前提下，fbmem.c中的函数可以工作的很好。这样大家应该感到非常轻松了吧，只要完成上述的几个设备相关的函数，frame buffer设备的驱动就写完了：） 
    系统的结构如图： 

Stifb驱动模型
linux/drivers/video/stifb.c - Generic frame buffer driver for HP * workstations with STI (standard text interface) video firmware.
这个驱动程序和前面的anakin设备完全不同，因为他不是采用标准的格式，而是根据 based on skeletonfb, which wasCreated 28 Dec 1997 by Geert Uytterhoeven也就是skeletonfb.c提供的框架完成的。

共230行，包含函数如下：

static int sti_encode_fix(struct fb_fix_screeninfo *fix, const void *par, struct fb_info_gen *info) 60行
static int sti_decode_var(const struct fb_var_screeninfo *var,void *par, struct fb_info_gen *info) 71行
static int sti_encode_var(struct fb_var_screeninfo *var, const void *par, struct fb_info_gen *info) 78行
static void sti_get_par(void *par, struct fb_info_gen *info) 94行
static void sti_set_par(const void *par, struct fb_info_gen *info) 99行
static int sti_getcolreg(unsigned regno, unsigned *red, unsigned *green, unsigned *blue, unsigned *transp, struct fb_info *info) 104行
static int sti_setcolreg(unsigned regno, unsigned red, unsigned green, unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info) 111行
static void sti_set_disp(const void *par, struct display *disp, struct fb_info_gen *info) 118行
static void sti_detect(void) 127行
static int sti_blank(int blank_mode, const struct fb_info *info) 132行
int __init stifb_init(void) 161行
void stifb_cleanup(struct fb_info *info) 201行
int __init stifb_setup(char *options) 208行

原文地址 http://www.dzkf.cn/html/qianrushixitong/2007/0429/2025_3.html