Linux-2.6.25内核帧缓冲设备驱动分析

帧缓冲（framebuffer）设备应用于linux显示技术方面。因为linux的显示平台已经全部基于framebuffer，所以目前在linux环境下开发图形化界面、游戏、影视软件等可视化应用时都必须用到帧缓冲技术，而现在随着消费逐渐娱乐化的大趋势，可视化应用已经在产品开发中越来越重要，因此，对于帧缓冲技术的理解和掌握就非常重要了。

1 Frambuffer介绍 
    帧缓冲在linux体系中居于上层应用和底层显示设备之间，如下图所示。它的设计意图是对上层应用屏蔽掉低层不同硬件的操作细节：对于不同厂家不同类型的显示硬件，由于各自厂商在技术上扬长避短的需要，所以在具体的细节比如寄存器数量和种类的设计上就会存在相当大的差异，而且对于各个寄存器的初始化的定义和引脚信号的定义也不近相同，这样即便是两种性能相近的产品，例如夏普3.5寸LCD模块与三星的3.5寸模块其操作细节也截然不同。如果让擅长于开发图形界面的开发人员费尽心思去琢磨属于硬件范畴的液晶模块寄存器写入时序问题，无疑是很大的浪费。因此，需要在上层开发和底层设备之间加入一个中间层以节省开发人员的时间和精力。
 

2 Frambuffer显示原理
    帧缓冲类似一个蓄水池，存放来自用户进程的数据，然后把这些数据再输入显示设备中。对于用户而言，帧缓冲就是内存中的一块区域，可以读、写、映射。只要在初始化阶段把显示设备映射到用户进程空间，可以理解为将屏幕中的每一点和帧缓冲的每一点一一对应起来。这样接下来就可以对这块内存区域填充任何已经定义的像素以及颜色，而屏幕也就可以根据刚才写入的像素及颜色呈现出五彩缤纷的画面。
3 2.6.25内核Frambuffer相关的数据结构
    相关的数据结构从运行环境可以分为用户空间和内核空间两类。在用户空间内使用的数据结构主要有fb_fix_screeninfo和fb_var_screeninfo。在内核空间使用的主要数据结构为fb_info。
    首先介绍fb_fix_screeninfo，该数据结构定义了一些系统运行期间不能改变的信息，例如设备名，屏幕的像素数量，缓冲区的首址和长度等。这类信息一般通过ioctl函数获得。下面列出了fb_fix_screeninfo 的主要内容：

    从上面的叙述过程中可以看到，对于帧缓冲驱动程序，尽管不同的显示设备可能有不同的特定功能，但是在向内核注册了驱动程序后运行的共同点都是要先进行物理设备与虚拟内存之间的映射（fb_mmap）；在操作设备的过程中，fb_set_var由于可以对于设备的运行参数进行控制因而尤为重要。类似的设备参数读写函数还有fb_check_var等，这些函数一般会被包含在fb_ioctl 函数中并被调用。而上述参数的操作对象就是我们在上一节中已经介绍的 fb_info，fb_fix_screeninfo ，fb_var_screeninfo 等数据结构。

原文来自博客：http://bbs.csdn.net/topics/350121977

帧缓冲FrameBuffer相关知识补充：

1、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。

    framebuffer是个字符设备，主设备号为29，对应于/dev/fb%d 设备文件。

通常，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，可以读写其内容。例如，屏幕抓屏：cp /dev/fb0 myfilefb 虽然可以像内存设备（/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。

2、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。

在应用程序中，操作/dev/fbn的一般步骤如下：
（1）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。

3、fb的结构及其相关结构体

在linux中，fb设备驱动的源码主要在Fb.h (linux2.6.28includelinux)和Fbmem.c (linux2.6.28driversvideo)两个文件中，它们是fb设备驱动的中间层，为上层提供系统调用，为底层驱动提供接口。

在fb.h文件中有fb驱动需要使用的很多结构，我们先对这些结构体进行说明：

（1）、

一个帧缓冲区对应一个struct fb_info结构，它包括了帧缓冲设备的属性和操作的完整集合，每个帧设备都有一个fb_info结构体。源码如下：

struct fb_info {
int node;
int flags;
struct mutex lock;/* Lock for open/release/ioctl funcs */互斥锁
struct fb_var_screeninfo var;/* Current var */当前缓冲区的可变参数
struct fb_fix_screeninfo fix;/* Current fix */固定参数
struct fb_monspecs monspecs;/* Current Monitor specs */当前显示器标志
struct work_struct queue;/* Framebuffer event queue */帧缓冲事件队列
struct fb_pixmap pixmap;/* Image hardware mapper */图像硬件mapper
struct fb_pixmap sprite;/* Cursor hardware mapper */光标硬件mapper
struct fb_cmap cmap;/* Current cmap */当前的调色板
struct list_head modelist;      /* mode list */
struct fb_videomode *mode;/* current mode */当前的视频模式


#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT如果配置了LCD支持背光灯
/* assigned backlight device */
/* set before framebuffer registration, 
  remove after unregister */背光调整
struct backlight_device *bl_dev;


/* Backlight level curve */
struct mutex bl_curve_mutex;
u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];
#endif
#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
struct delayed_work deferred_work;
struct fb_deferred_io *fbdefio;
#endif


struct fb_ops *fbops;帧缓冲操作函数集
struct device *device;/* This is the parent */父设备
struct device *dev;/* This is this fb device */fb设备
int class_flag;                    /* private sysfs flags */私有的sysfs标志
#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING
struct fb_tile_ops *tileops;    /* Tile Blitting */图块blitting
#endif
char __iomem *screen_base;/* Virtual address */虚拟基地址
unsigned long screen_size;/* Amount of ioremapped VRAM or 0 */ ioremap的虚拟内存大小
void *pseudo_palette;/* Fake palette of 16 colors */ 伪16位调色板
#define FBINFO_STATE_RUNNING 0
#define FBINFO_STATE_SUSPENDED 1
u32 state; /* Hardware state i.e suspend */硬件的状态
void *fbcon_par;                /* fbcon use-only private area */
/* From here on everything is device dependent */
void *par;
};

（2）、

/*
 * Frame buffer operations
 *
 * LOCKING NOTE: those functions must _ALL_ be called with the console
 * semaphore held, this is the only suitable locking mechanism we have
 * in 2.6. Some may be called at interrupt time at this point though.
 */
fb_ops结构体用来实现对帧缓冲设备的操作，这些函数需要驱动开发人员编写，

struct fb_ops {
/* open/release and usage marking */
struct module *owner;

          打开和释放
int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);

int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);

          这两个函数对于非线性布局的/常规内存映射无法工作的帧缓冲设备需要
/* For framebuffers with strange non linear layouts or that do not
* work with normal memory mapped access
*/
ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,
  size_t count, loff_t *ppos);
ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,
   size_t count, loff_t *ppos);

           检测可变参数，并调整到支持的值
/* checks var and eventually tweaks it to something supported,
* DO NOT MODIFY PAR */
int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

            设置视频模式
/* set the video mode according to info->var */
int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);

           设置color寄存器的值
/* set color register */
int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,
   unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);

            批量设置color寄存器，设置颜色表
/* set color registers in batch */
int (*fb_setcmap)(struct fb_cmap *cmap, struct fb_info *info);

          显示空白
/* blank display */
int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);

          pan显示
/* pan display */
int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

          填充矩形
/* Draws a rectangle */
void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);

            数据复制
/* Copy data from area to another */
void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);

           图形填充
/* Draws a image to the display */
void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);

           绘制光标
/* Draws cursor */
int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);

            旋转显示
/* Rotates the display */
void (*fb_rotate)(struct fb_info *info, int angle);

            等待blit空闲
/* wait for blit idle, optional */
int (*fb_sync)(struct fb_info *info);

             fb特定的ioctl操作
/* perform fb specific ioctl (optional) */
int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd,
unsigned long arg);

              处理32兼容的ioctl操作
/* Handle 32bit compat ioctl (optional) */
int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd,
unsigned long arg);

             fb特定的mmap操作
/* perform fb specific mmap */
int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);

           保存目前的硬件状态
/* save current hardware state */
void (*fb_save_state)(struct fb_info *info);

            恢复被保存的硬件状态
/* restore saved state */
void (*fb_restore_state)(struct fb_info *info);

           通过fb_info获得framebuffer的能力
/* get capability given var */
void (*fb_get_caps)(struct fb_info *info, struct fb_blit_caps *caps,
   struct fb_var_screeninfo *var);
};

（3）、

fb_fix_screeninfo结构体中，记录了用户不能修改的固定显示控制器参数。这些固定的参数如缓冲区的物理地址、缓冲区的长度等等。
struct fb_fix_screeninfo {
char id[16]; /* identification string eg "TT Builtin" */

        字符串形式的标识符
unsigned long smem_start;/* Start of frame buffer mem */

/* (physical address) */

        fb缓存的开始位置
__u32 smem_len;/* Length of frame buffer mem */

        fb缓存的长度
__u32 type; /* see FB_TYPE_* */

        FB_TYPE_*类型
__u32 type_aux;/* Interleave for interleaved Planes */

         分界
__u32 visual; /* see FB_VISUAL_* */

       屏幕使用的色彩模式 
__u16 xpanstep;/* zero if no hardware panning  */

        如果没有硬件panning ，赋0
__u16 ypanstep;/* zero if no hardware panning  */

__u16 ywrapstep;/* zero if no hardware ywrap    */

         1行的字节数
__u32 line_length;/* length of a line in bytes    */

         内存映射I/O的开始位置
unsigned long mmio_start;/* Start of Memory Mapped I/O   */
/* (physical address) */

         内存映射I/O的长度
__u32 mmio_len;/* Length of Memory Mapped I/O  */
__u32 accel; /* Indicate to driver which */
/*  specific chip/card we have*/
__u16 reserved[3];/* Reserved for future compatibility */
};

（4）、

fb_var_screeninfo结构体中存储了用户可以修改的显示器控制参数，例如屏幕分辨率、透明度等等。

struct fb_var_screeninfo {
__u32 xres; /* visible resolution */
__u32 yres;

        可见解析度，即分辨率
__u32 xres_virtual;/* virtual resolution */
__u32 yres_virtual;

        虚拟解析度
__u32 xoffset;/* offset from virtual to visible */
__u32 yoffset;/* resolution */

        虚拟到可见之间的偏移
__u32 bits_per_pixel;/* guess what */

        每像素位数，BPP
__u32 grayscale;/* != 0 Graylevels instead of colors */

        非0时指灰度


struct fb_bitfield red;/* bitfield in fb mem if true color, */
struct fb_bitfield green;/* else only length is significant */
struct fb_bitfield blue;

         fb缓存的RGB位域
struct fb_bitfield transp;/* transparency */

         透明度

__u32 nonstd; /* != 0 Non standard pixel format */

        != 0 非标准像素格式

__u32 activate;/* see FB_ACTIVATE_* */

       
__u32 height; /* height of picture in mm    */

         屏幕的高度
__u32 width; /* width of picture in mm     */

         屏幕的宽度
__u32 accel_flags;/* (OBSOLETE) see fb_info.flags */
         fb_info的标志

/* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */
__u32 pixclock;/* pixel clock in ps (pico seconds) */

         /* 像素时钟（皮秒） */
__u32 left_margin;/* time from sync to picture */

        行切换：从同步到绘图之间的延迟
__u32 right_margin;/* time from picture to sync */

        行切换：从绘图到同步之间的延迟
__u32 upper_margin;/* time from sync to picture */

        帧切换：从同步到绘图之间的延迟
__u32 lower_margin;

         帧切换：从绘图到同步之间的延迟
__u32 hsync_len;/* length of horizontal sync */

         水平同步的长度
__u32 vsync_len;/* length of vertical sync */

         垂直同步的长度
__u32 sync; /* see FB_SYNC_* */
__u32 vmode; /* see FB_VMODE_* */
__u32 rotate; /* angle we rotate counter clockwise */

        顺时钟旋转的角度
__u32 reserved[5];/* Reserved for future compatibility */
};

（5）、

fb_cmap结构体中记录了颜色板信息，即调色板信息。，用户空间可以通过ioctl()的FBIOGETCMAP和 FBIOPUTCMAP命令读取或设定颜色表。

struct fb_cmap {
__u32 start; /* First entry */第一个元素的入口
__u32 len; /* Number of entries */元素个数
__u16 *red; /* Red values */红色、绿色、蓝色
__u16 *green;  
__u16 *blue;
__u16 *transp;/* transparency, can be NULL */透明度
};

上面这些结构体之间有什么关系呢？看下图：

（6）、

fb_bitfield 结构体描述每一像素显示缓冲区的组织方式，包含位域偏移、位域长度和MSB 指示，

struct fb_bitfield {
__u32 offset; /* beginning of bitfield */

         位域偏移
__u32 length; /* length of bitfield */

        位域长度
__u32 msb_right;/* != 0 : Most significant bit is */ 
/* right */

        MSB
};

本部分转子博客：http://www.linuxidc.com/Linux/2012-05/61024.htm

最后

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